Je dcerou britské herečky Jane Birkinové a francouzského herce, básníka, muzikanta a režiséra Serge Gainsbourga. Narodila se v Londýně, ale vyrůstala v Paříži. Její babičkou z matčiny strany byla herečka Judy Campbell. Jejím strýcem je scenárista a režisér Andrew Birkin, který natočil film Betonová zahrada, ve kterém Charlotte hrála. Její otec byl Žid, zatímco její matka pochází z křesťanského prostředí. Charlotte navštěvovala soukromou dvojjazyčnou školu v Paříži a poté Collège Alpin International Beau Soleil ve Švýcarsku. Jejími v dětství osvojenými jazyky jsou jak francouzština tak angličtina.

Ze strany své matky má dvě nevlastní sestry, módní fotografku Kate Barryovou a zpěvačku Lou Doillonovou.

Jejím dlouholetým životním partnerem je francouzsko-izraelský herec Yvan Attal, se kterým má tři děti, Bena (narozen 1997) a dcery Alice (narozená 2002) a Joe (narozená 2011).

Dne 5. září 2007 byla převezena do pařížské nemocnice, kde se podrobila operaci na krvácení do mozku. To bylo důsledkem jejích bolestí hlavy po nehodě na vodních lyžích ve Spojených státech, která se stala o několik týdnů dříve.

Kariéra

Jejím prvním filmovým debutem se stala v roce 1984 role dcery Catherine Deneuvové ve filmu V záři reflektorů. V průběhu své kariéry hrála ve více než 30 filmech. V roce 1986 získala Césara pro nejslibnější herečku za film L'effrontée a v roce 2000 Césara pro nejlepší herečku ve vedlejší roli za film Pusa. V roce 1993 přišel její první anglicky mluvící debutový film, Betonová zahrada, který režíroval a napsal její strýc Andrew Birkin. Její divadelní debut přišel v roce 1994 ve hře Davida Mameta, Oleanna v Théâtre de la Gaîté-Montparnasse. V roce 1996 ztvárnila titulní roli v adaptaci knihy Charlotte Brontëové, Jana Eyrová.

V roce 2003 hrála ve snímku 21 gramů po boku Naomi Wattsové, Seana Penna a Benicia del Tora. V roce 2006 se vedle Gaela Garcíi Bernala objevila v Nauce o snech. O rok později ztvárnila Claire v dokumentárním filmu Beze mě: Šest tváří Boba Dylana a také přispěla na filmový soundtrack písní "Just Like a Woman". V roce 2009 získala cenu festivalu v Cannes za snímek Antikrist režiséra Larse von Triera. Dále si zahrála ve francouzsko-australské produkci filmu Strom a objevila se podruhé ve filmu Larse von Triera, Melancholia. V únoru 2012 byla v porotě 62. ročníku Berlínského mezinárodního filmového festivalu. V květnu stejného roku měl premiéru snímek Confession of a Child of the Century, kde si zahrála po boku britského hudebníka Peta Dohertyho.

V roce 2013 již potřetí spolupracovala s von Trierem na Nymfomance, kde ztvárnila hlavní roli. Tento čtyřhodinový film popisuje život ženy závislé na sexu od jejího mládí až do středního věku. Když byla tázána na povahu role, Gainsbourgová odpověděla: "Sexuální scény nebyly tak těžké. Pro mě byly nejtěžší všechny ty masochistické scény. Ty byly trapné a, ano, trochu ponižující."