Charlotte Gainsbourg nace en Londres, Inglaterra, el 21 de julio de 1971.

Hija de los cantautores, y también actores, Serge Gainsbourg y Jakne Birkin. Es madre de dos niños, ambos fruto de su relación con el actor Yvan Attal.

A los 12 años debutó como cantante, al grabar Lemon Incest un dueto con su padre. Una canción cuyo contenido ambiguo revolucionó Francia y dio mucho que hablar. En el videoclip aparecía acostada junto a su padre. Y tan sólo un año después, como actriz en Palabras y música (1984), película en la que interpretaba a la hija de Catherine Deneuve. Fue su madre quien la animó a presentarse al casting. Así comenzaba su meteórico ascenso al estrellato. En 1985, gracias a su aparición en 'L' Effrontée', de Claude Miller, es descubierta por el público. Con este papel obtuvo el César a la mejor actriz revelación.

Tres años más tarde, Miller le ofreció un segundo papel en la película La petite Voleuse. La carrera de Charlotte ya había despegado.

En 1986 lanza su primer álbum en solitario, Charlotte Forever.

En 1993 se pone a las órdenes de su tío, Andrew Birkin, en El jardín de cemento (1993), su primera película de habla inglesa.

En los años sucesivos su carrera en el cine se estanca. La pequeña ladrona, Mala fama o El intruso son algunas de sus películas más notables de los 90. En 1999 con su interpretación en Le bûche consiguió el premio César a la mejor actriz secundaria, pero no es hasta la década siguiente que Charlotte vuelve por sus fueros. 21 gramos (2003), Lemming (2005), La ciencia del sueño (2006), Nuovomondo (2006), Im Not There (2007) o Anticristo (2009) vuelven a conectarla al éxito y al reconocimiento internacional. Gracias a su papel en la controvertida película de Lars Von Trier fue galardonada en Cannes con el Premio a la Mejor Actriz.

Su carrera musical revive en 2001, después de unos cuantos años de hiato con algún sonado proyecto de beneficencia, con la publicación de un nuevo disco. Con todo, sigue siendo el cine el medio que más satisfacciones le reporta. Convertida en musa de Lars Von Trier, Gainsbourg dará mucho que hablar en Anticristo, Melancolía y la polémica Nymphomaniac

Filmografía
• 1984: Paroles et musique (Elie Chouraqui) • 1985: L'Effrontée (Claude Miller) • 1985: La Tentation d'Isabelle (Jacques Doillon) • 1987: Jane B par Agnès V (Agnès Varda) • 1987: Kung-fu master ! (Agnès Varda) • 1988: La Petite voleuse (Claude Miller) • 1990: Merci la vie (Bertrand Blier) • 1990: Aux yeux du monde (Éric Rochant) • 1990: El sol también sale de noche (Paolo y Vittorio Taviani) • 1991: Amoureuse (Jacques Doillon) • 1991: Contre l'oubli (Patrice Chéreau) • 1991: Anna Oz (Éric Rochant) • 1992: The Cement Garden (Andrew Birkin) • 1993: Grosse Fatigue (Michel Blanc) • 1994: Jane Eyre (Franco Zeffirelli) • 1995: Anna Oz (Éric Rochant) • 1996: Love, etc. (Marion Vernoux) • 1998: Passionnément (Bruno Nuytten) • 1999: Suspicion (The Intruder) (David Bailey) • 1999: La Bûche (Danièle Thompson) • 2000: Félix et Lola (Patrice Leconte) • 2000: Les misérables (Josée Dayan) (TV). • 2000: Nuremberg (Alain Dostie) (TV). • 2001: Ma femme est une actrice (Yvan Attal) • 2003: 21 Gramos (Alejandro González Iñárritu) • 2004: Ils se marièrent et eurent beaucoup d'enfants (Yvan Attal) • 2005: L'un reste, l'autre part (Claude Berri) • 2005: Lemming (Dominik Moll) • 2006: Como casarse y mantenerse soltero (Eric Lartigau) • 2006: La science des rêves (Michel Gondry) • 2006: Nuovomondo ( Emanuele Crialese) • 2007: The City of Your Final Destination (James Ivory) • 2007: I'm Not There (Todd Haynes) • 2009: Anticristo (Lars von Trier) • 2009: Persécution ( Patrice Chéreau) • 2010: Melancolía (Lars von Trier) • 2010: L'Arbre (Julie Bertucelli) • 2011: Confession d'un enfant du siècle (Sylvie Verheyde) • 2013: Nymphomaniac (Lars von Trier) • 2014: Nymphomaniac 2 (Lars von Trier) • 2014: Jacky in Women's Kingdom ( Riad Sattouf) • 2014: Samba (Olivier Nakache y Eric Toledano) • 2014 Todo saldrá bien (Wim Wenders)