Charlotte Gainsbourg, född 1971 i London, är dotter till den franske allkonstnären Serge Gainsbourg (1928-1991) och den engelska skådespelerskan Jane Birkin. Redan som barn skolades hon, ivrigt påhejad av sin gudfar Yul Brynner, i musik (piano) och konst, och som 12-åring filmdebuterar hon som Catherine Deneuves dotter i Paroles et musique (1984, regi Elie Chouraqui).

1985 slår Charlotte Gainsbourg igenom i Jag är ingen barnunge längre (L’Effrontée, regi Claude Miller), en roll för vilken hon belönas med en César för Bästa kvinnliga nykomling. Ett år senare spelar hon mot sin far i hans kontroversiella Charlotte For Ever, en film som är en fortsättning på en fullängdsskiva som Gainsbourg tillägnat dottern.

Hon fortsätter att uppmärksammas i och med sin roll i Den lilla tjuven (La petite voleuse, 1988) även denna i regi Claude Miller och med manus av François Truffaut.

1993 medverkar Charlotte Gainsbourg i sin första icke-franska film, den engelska The Cement Garden, som regisseras av hennes morbror Andrew Birkin. Därefter följer en rad roller i filmer som Den förargliga kopian (Grosse fatigue, 1994, regi Michel Blanc), Jane Eyre (1996, regi Franco Zeffirelli), Love, etc (1996, regi Marion Vernoux), tills hon gör succé i La Bûche (1999, regi Danièle Thompson), en roll för vilken hon belönas med en César (Bästa kvinnliga biroll).

Gainsbourg medverkar sen bland annat i Ma femme est une actrice (2001) och Ils se marièrent et eurent beaucoup d’enfants (2004), regisserade av hennes partner Yves Attal; och Patrice Lecontes Félix et Lola (2001). 2004 spelade hon mot Sean Penn i Alejandro González Iñárritus kritikerhyllade 21 Gram (21 Grams).