Narodila se anglické herečce Jane Birkinové a francouzskému herci, básníkovi, hudebníkovi a režisérovi Sergi Gainsbourgovi v Londýně, ale vyrůstala v Paříži. Ve filmu hrála poprvé už ve svých třinácti letech po boku Catherine Deneuveové. Filmová kariéra Charlotte Gainsbourgové jakoby se neustále protínala s rodinnými vztahy. Zahrála si po boku své matky, nevlastní sestry Lou Doillonové. Jako s režiséry spolupracovala také se svým otcem i strýcem Andrew Birkinem. Českému publiku je Charlotte Gainsbourgová známá z filmů Jana Eyrová Franca Zeffirelliho, 21 gramů Alejandra Gonzáleze Iñárritu či Nauka o snech Michela Gondryho. Za své role byla mnohokrát nominována i oceněna. Prvního Césara získala v roce 1986 v kategorii Nejlepší začínající herečka za film Nestoudnice a v roce 2000 k němu přidala dalšího Césara v kategorii Nejlepší herečka ve vedlejší roli za La Bûche. Z festivalu v Cannes 2009 si odvezla cenu za Nejlepší ženský herecký výkon za film Antikrist.