Elle est la fille de Serge Gainsbourg et de Jane Birkin. Elle est donc ,dès son plus jeune âge, baignée dans le milieu artistique. En 1984, âgée de treize ans, elle interprète Lemon Incest avec son père, chanson provocatrice qui fera longtemps parler d’elle. Elle joue pour la première fois au cinéma aux côtés de Catherine Deneuve dans « Paris et Paroles ».

En 1995, elle joue le rôle de Charlotte dans l’effrontée de Claude Miller. Charlotte Gainsbourg marque déjà par son talent. Elle obtient d’ailleurs un césar du Meilleur Jeune Espoir Féminin. Trois ans plus tard, Miller lui offre encore un rôle, celui de « La petite Voleuse ». La carrière de Charlotte est lancée. Elle enchaîne alors les films comme « Merci la vie » de Blier, « Cement Garden » de Andrew Birkin ou encore Amoureuse de « Jacques Doillon ».

En1999, Charlotte Gainsbourg étonne et fait parler d’elle dans le bûche de Danielle Thompson qui lui vaudra le César du Meilleur Espoir Féminin. Elle continue alors la comédie dans « Ma femme est une actrice » de son mari Yvan Attal. Son premier film américain est un succès, il s’agit de « 21 grammes » où elle incarne la femme de Sean Penn.