Hija de la actriz británica Jane Birkin y del cantante y compositor francés Serge Gainsbourg, Charlotte Gainsbourg es una actriz y cantante mejor conocida por sus colaboraciones con el director Lars von Trier. 

El debut musical de Charlotte ocurrió cuando ella tenía 12 años en la canción "Lemon Incest", la cual fue seguida de un disco en conjunto con su padre a sus 15 años. Años después, ella lanzaría tres producciones como solista: 5:55 (2006), IRM (2009) y Stage Whisper (2011).

Sus inicios en el cine fueron gracias a las cintas Paroles et musique (1984), La tentation d'Isabelle (1985), L'effrontée (1985), La petite voleuse (1988) y Amoureuse (1992). En 1993, la actriz filmó The Cement Garden, su primera película en inglés y en 1994 tuvo lugar su debut en el teatro con la obra Oleanna de David Mamet. En 1996, Charlotte fue la protagonista de la adaptación de Jane Eyre y ganó un premio César como Mejor actriz de reparto por su participación en La bûche (1999). 

De regreso a Hollywood, Gainsbourg apareció en filmes como 21 gramos (2003), La ciencia del sueño (2006) y I'm Not There (2007). En 2009, Charlotte obtuvo el premio a Mejor actriz en el Festival de Cannes por la cinta Anticristo (2009) de Lars von Trier y eventualmente volvería a colaborar con el director en Melancolía (2011) y Nymphomaniac (2013). 

Recientemente, Charlotte Gainsbourg participó en las cintas Every Thing Will Be Fine (2015), Ils sont partout (2016) y Día de la independencia: Contraataque (2016). Próximamente, ella aparecerá al lado de Michael Fassbender y Rebecca Ferguson en el filme The Snowman (2017).