Charlotte Gainsbourg, 21 Temmuz 1971 tarihinde Londra’nın Marylebone bölgesinde dünyaya geldi. Annesi İngiliz oyuncu ve şarkıcı Jane Birkin, babası ise Fransız müzisyen Serge Gainsbourg’dur. Gainsbourg, ünlü ebeveynlerinin sanatsal ve çalkantılı ilişkisinin gölgesinde büyüdü. Paris’te École Active Bilingue Jeannine Manuel’da ve İsviçre’de Collège Alpin International Beau Soleil’da eğitim aldı. Ailesinin hem sanatsal projeleri hem de kişisel hayatları kamuoyu önünde olduğundan ötürü Charlotte’un çocukluğu da kameralar önünde geçti. Charlotte, küçük yaşta müzik ve sinema dünyasına adım atsa da 18 yaşında babasının soyadını yasal olarak Ginsburg olarak değiştirdi ancak profesyonel olarak Gainsbourg soyadını kullanmaya devam etti. Charlotte Gainsbourg’un oyunculuğa ilk adımı ise 1984 yılında Catherine Deneuve’ün kızı rolünü oynadığı Paroles et Musique filmiyle oldu. 1986’da An Impudent Girl filmiyle "En Çok Ümit Vadeden Kadın Oyuncu" dalında César Ödülü kazandı.

Aynı yıl, babasıyla birlikte oynadığı Charlotte for Ever filminde rol aldı. Bu film ve daha önceki "Lemon Incest" adlı tartışmalı şarkı, kamuoyunda yoğun bir şekilde eleştirildi. 1993 yılında, dayısı Andrew Birkin’in yönettiği The Cement Garden filminde İngilizce canlandırdığı ilk rolünü üstlendi. 2000 yılında La Bûche filmindeki performansıyla "En İyi Yardımcı Kadın Oyuncu" César Ödülü’nü kazandı. 2000’li yıllarda, Charlotte Gainsbourg birçok uluslararası projede yer aldı. 2003’te 21 Grams, 2006’da The Science of Sleep, 2007’de I’m Not There filmlerinde rol aldı; akabinde ise 2009 yılında Lars von Trier’in Antichrist filmindeki performansıyla Cannes Film Festivali’nde "En İyi Kadın Oyuncu" ödülünü kazandı. Gainsbourg, Trier ile Melancholia (2011) ve Nymphomaniac 1-2 (2013) filmlerinde tekrar beraber çalıştı. Ayrıca Samba (2014), Independence Day: Resurgence (2016) ve The Snowman (2017) gibi filmlerdeki performansları ile farklı türlerdeki başarısını da sürdürdü. 2020’li yıllarda öne çıkan diğer projeleri arasında ise Solgun Mavi Gözler (2022), En thérapie (2022), Alphonse (2023) ve Wes Anderson imzalı The Phoenician Scheme sayılabilir. 

Son yıllarda Charlotte Gainsbourg, oyunculuğun yanı sıra müzik kariyerine de yoğunlaştı. 2017’de çıkardığı Rest albümü, babası Serge Gainsbourg ve üvey kız kardeşi Kate Barry’nin kaybının ardından yaşadığı duygusal süreçleri işledi. Albümün yönetmenliğini üstlendiği müzik videolarında kendi çocuklarına da yer verdi. Ayrıca 2020’de Salvador Navarrete (Sega Bodega) ile yeni müzik projelerine başladı. Babasının Paris’teki evi olan Maison Gainsbourg’u müzeye çevirerek 2023’te açılışını yaptı. Gainsbourg, sanatsal projeleri ve duygusal derinliğiyle uluslararası bir ikon olmaya devam ediyor.