Charlotte Gainsbourg, 21 Temmuz 1971'de Londra'da dünyaya geldi. İngiliz sinema oyuncusu ve şarkıcı Jane Birkin ile Fransız şarkıcı ve şarkı yazarı Serge Gainsbourg'un kızıdır. Müzik kariyerine 12 yaşında babasıyla birlikte "Lemon Incest" şarkısıyla başladı. 15 yaşında babasıyla birlikte bir albüm çıkardı. Müzik kariyeri 20 yıl sonra 5:55, IRM ve Stage Whisper adlarıyla üç albüm çıkardı. Bu albümler ticari başarı ve eleştirmenlerce değerli bulundu.
Gainsbourg, sinema kariyerine de 1974 yılında "3 nach 9" ve "Spécial cinéma" adlı yapımlarda yer alarak başladı. Lars von Trier ile yaptığı çalışmalar arasında "Melankoli" (2011) ve "Antichrist" (2009) adlı filmler yer alır. "Antichrist" filmiyle Cannes Film Festivali'nde En İyi Kadın Oyuncu Ödülü'nü kazandı. Ayrıca "21 Gram" (2003) ve "İtiraf 2" (2013) filmlerinde de rol aldı. 2016 yılında "Kurtuluş Günü: Yeni Tehdit" filminde Dr. Catherine Marceaux karakterini canlandırdı.