Fille de l'homme à la tête de chou et de la so british Jane, Charlotte Lucy Gainsbourg a tout pour réussir. A 12 ans, elle chante Lemon Incest avec son père et tourne dans Paroles et musique d' Elie Chouraqui, incarnant la fille de Catherine Deneuve.

C'est Claude Miller qui la révélera dans L'Effrontée, jeune adolescente fascinée par une pianiste surdouée de son âge. Elle reçoit pour son interprétation le César du meilleur espoir féminin en 1986, balbutiant des remerciements entre deux larmes. Elle retrouve Claude Miller deux ans plus tard pour La Petite Voleuse, en jeune femme rebelle des années 50. Entre-temps, elle expose son intimité dans Charlotte for Ever, signé de son père, et dans Jane B. par Agnès V. où, à la demande d' Agnès Varda, elle joue la fille de Jane Birkin.

A partir de 1990, elle tourne au moins un film par an, à commencer par Aux Yeux du monde d' Eric Rochant. Elle intègre ensuite le monde étrange de Bertrand Blier dans Merci la Vie, avec Anouk Grinberg. Elle travaille aussi en famille, d'abord avec son beau-père, Jacques Doillon dans Amoureuse, puis avec son oncle Andrew Birkin dans Cement Garden. Elle apparaît ensuite dans la comédie de Michel Blanc Grosse Fatigue, avant de tourner dans Love etc... de Marion Vernoux, film pour lequel elle sera nommée aux Césars. Toujours en 1996, elle retrouve Eric Rochant pour Anna Oz, puis interprète l'héroïne mythique Jane Eyre dans le film de Franco Zeffirelli.

Césarisée pour la deuxième fois en 2000 pour La Bûche de Danièle Thompson, elle tourne aussi dans le film anglais Suspicion de David Bailey. Un an plus tard, c'est son mari, Yvan Attal, qui la met en scène dans Ma Femme est une actrice, comédie-réalité sur leur vie de couple. Coup de maître, en 2003, elle est dirigée par Alejandro González Iñárritu dans 21 Grammes aux côtés d'un Sean Penn mourant. Le film est deux fois nommé aux Oscars. Retour vers le cocon familial dans Ils se marièrent et eurent beaucoup d'Enfants, à nouveau réalisé par Yvan Attal, puis Charlotte Gainsbourg devient Bénédicte Getty dans l'inquiétant Lemming de Dominik Moll avec Charlotte Rampling.

La chanceuse Charlotte côtoie ensuite Gael García Bernal dans la comédie fantastique La Science des rêves de Michel Gondry, fait un bond dans le temps avec Golden Door de Emanuele Crialese et retrouve Alain Chabat pour la troisième fois pour la comédie Prête-moi ta Main d' Eric Lartigau. En 2007, elle joue dans le biopic de Bob Dylan, I'm not there.