Gainsbourg este fiicașansonetistului(d) și actorului francezSerge Gainsbourg (1928-1991) și a actriței britaniceJane Birkin (1946-2023). Are două surori vitrege, fotografa Kate Barry (1967–2013) și actrițaLou Doillon (n. 1982), precum și un frate vitreg, muzicianulLulu Gainsbourg. Bunica ei maternă a fost actrițaJudy Campbell (1916–2004).
Gainsbourg a primit primul ei rol în filmulCuvinte și muzică, lansat în 1984, la vârsta de doisprezece ani, prin mama ei, Jane Birkin.[18] Doi ani mai târziu, a primit premiul César pentru cea mai bună actriță tânără pentru interpretarea din filmulÎndrăzneața (1985) deClaude Miller. A doua ei colaborare cu Miller înMicuța hoață (1988), bazată pe un scenariu deFrançois Truffaut, i-a adus prima ei nominalizare laCésar la categoriaCea mai bună actriță trei ani mai târziu.
Pentru filmulKung-fu Master (1988) deAgnès Varda, a stat în fața camerei de filmare împreună cu mama ei, sora ei vitregă mai mică Lou Doillon și fiul lui Agnès Varda,Mathieu Demy. Au jucat o familie în care mama singură se îndrăgostește de colegul de școală al fiicei sale mai mari. Filmul a fost turnat printre altele, în casa părinților lui Jane Birkin, în Anglia. CânteculLemon Incest și filmulCharlotte for Ever lansat în 1986, când Charlotte avea doar cincisprezece ani, au ajuns pe prima pagină a ziarelor. Filmul tratează dragostea erotică dintre tată și fiică, incestul. Tatăl ei Serge, care nu a fost doar autorul, ci și regizorul și actorul principal al filmului, a făcut furori cu scenele sale îndrăznețe cu propria-i fiică. Filmul din 1993Grădina de ciment, bazat pe romanul omonim al luiIan McEwan și regizat de unchiul eiAndrew Birkin, a avut și el tema despre incest, de data aceasta între frați.
Charlotte Gainsbourg a format un cuplu de film de mai multe ori cuYvan Attal, pentru prima dată înRăpire din dragoste deEric Rochant în 1991 și înAmoureuse de Jacques Doillon în 1992. În 1996, au apărut împreună în comediaLove etc. a luiMarion Vernoux. În 2001 și 2004, au urmat lucrările de regie ale lui Attal,Soția mea este actriță șiIls se marièrent et eurent beaucoup d'enfants, în care a jucat Gainsbourg.
În 2000, Gainsbourg a primit un altCésar, de data aceasta pentruCea mai bună actriță în rol secundar în debutul regizoral al luiDanièle Thompson, La Bûche (1999). De fapt, trebuia să joace rolul principal în filmulTogether You Are Less Alone (2007) dar deoarece s-a rănit grav într-un accident de schi nautic în timp ce filma în SUA, a trebuit să ia o pauză la filmări de un an.[19] În locul ei a fost aleasăAudrey Tautou.
În toamna anului 2008, a filmat thrillerul de groazăAntichrist alături deWillem Dafoe sub regia luiLars von Trier, ceea ce i-a adus premiul pentru actorie la a 62-a ediție aFestivalului de Film de la Cannes,Premiul Bodil și o nominalizare laPremiul Filmului European. A primit și alte nominalizări la Premiul European de Film pentru colaborarea sa reînnoită cu Lars von Trier: în 2011 pentruMelancholia, unde a fost văzută ca sora pragmatică a luiKirsten Dunst, și în 2014 pentru filmulNymphomaniac, controversat din cauza scenelor sale de sex în care a întruchipat onimfomană.
^abcdefgCaranfil, Tudor,Dicționar universal de lungmetraje cinematografice (filme de ficțiune), Ed. a 3-a revizuită, București, 2008: Litera internațional, p. 1074;
Caranfil, Tudor,Dicționar universal de lungmetraje cinematografice (filme de ficțiune), Ed. a 3-a revizuită, București, 2008: Litera internațional, 1106 pag.,ISBN978-973-675-416-6;