Charlotte Gainsbourg 1971. július 21-én Londonban született, így idén az 55. születésnapját ünnepli. Édesapja a francia zenész, dalszerző és színész Serge Gainsbourg, édesanyja pedig a brit származású színésznő és énekesnő Jane Birkin. Charlotte egyszerre épített fel sikeres filmes és zenei pályát, miközben francia, brit, dán és amerikai produkciókban is szerepelt.
Tizenhárom évesen debütált a Szó és zene című filmben, majd mindössze 14 évesen César-díjat kapott A csitri című film főszerepéért. Később Lars von Trier egyik visszatérő színésznője lett. Együtt készítették az Antikrisztus, a Melankólia és a Nimfomániás című filmeket. Az Antikrisztusban nyújtott alakításáért 2009-ben Cannes-ban a legjobb színésznő díját kapta.
Nemcsak francia filmekben láthatta a közönség. Szerepelt többek között Az álom tudománya, az I’m Not There, A függetlenség napja: Feltámadás, a Hóember és A halványkék szem című nemzetközi produkciókban is. Visszafogott, sebezhető játékát és a nehéz szerepek iránti nyitottságát gyakran méltatják. Gainsbourg saját bevallása szerint bízik a rendezőkben, nyitott a kritikára, és azt a fejlődése fontos részének tartja. Férjével Yan Attallal már több mint harminc éve élnek együtt. Közös filmjüket, amelyben fiával, Ben Attallal játszik együtt és amelyet férje rendezett, hazánkban is nagy sikerrel vetítették a mozik.