Zu Beginn ihrer Filmkarriere mit aufregenden Porträts rebellischer, frecher, trotziger und verlorener Mädchen bekannt geworden, hat sich Charlotte Gainsbourg mit zunehmender Reife ein Rollenrepertoire geheimnisvoller, verträumter, glückssuchender und melancholischer junger Frauen geschaffen, die oft wie in Trance durch Leben und Lieben ziehen, schweigsame Streunerinnen zwischen Zurückhaltung und mysteriöser, auch selbsterfundener Vergangenheit, die in Beziehungen driften oder eine zerstörerische Amour fou erleben.
Charlotte Gainsbourg wurde als Tochter der Schauspielerin und Sängerin Jane Birkin und des einflussreichen Chansonniers Serge Gainsbourg 1971 in London geboren und fiel 1984 mit dem Videoclip "Lemon Incest" auf, der ihr eine kleine Rolle als rockbegeisterter Teenager in "Duett zu Dritt", vor allem aber die Hauptrolle in Claude Millers "Das freche Mädchen" einbrachte. Letzterer wurde zu einem der erfolgreichsten und wichtigsten französischen Spielfilme der 80er-Jahre, der von erster Liebe, Freundschaft, Enttäuschung, Frust und erwachender Sexualität der Vierzehnjährigen erzählt. Der César als Beste Nachwuchsschauspielerin war der Lohn für Charlotte, die als schauspielerische Offenbarung strahlte wie ihre Kollegin Sandrine Bonnaire.
In den Folgejahren schloss sie auf Wunsch der Mutter zwischen den Filmengagements ihre Ausbildung ab. Zum Ereignis wurde, wieder unter Millers Regie, die nach einem Treatment von François Truffaut gedrehte Ballade "Die kleine Diebin" (1988), in der sie als ungeliebtes Kind zwischen Elternhaus und Internat pendelt und sich als Zimmermädchen deflorieren lässt. Journalistin in "L'amoureuse", Vagabundin in "Merci la vie" und Versuchung für den Heiligen Franziskus in "Nachtsonne", erlebte Gainsbourg einen Triumph mit "Der Zementgarten", der ihr 1992 den Preis als Beste Hauptdarstellerin beim Festival Scrittura e Immagine einbrachte: Als ältere Schwester hält sie nach dem Herztod des Vaters, den sie im Keller begräbt, die Familiengemeinschaft fern von der Umwelt aufrecht. Ihr Kopfstand in diesem Film blieb unvergessen.
Für Regisseur Franco Zeffirelli war sie eine sanfte, aber beharrliche "Jane Eyre", die den geliebten Gutsbesitzer einfängt, und in Marion Vernoux' "Love etc." verdrehte sie zwei Männern den Kopf in einer typisch französischen Ménage à trois. Als mysteriöse, introvertierte Frau, die verzweifelt einen Sinn für ihr Leben sucht und immer neue tragische Lebensgeschichten erfindet, trieb sie in Patrice Lecontes "Félix et Lola" (2000) den Jahrmarktbudenbesitzer Félix beinahe ins Verderben.
Yvan Attal, mit dem sie eine im Gegensatz zu ihren Eltern öffentlichkeitsscheue Ehe führt, schrieb ihr als Autor und Regisseur mit "Meine Frau, die Schauspielerin" (2001) erstmals eine ungehemmt komische Rolle auf den zierlichen Leib: Da ist ihr Gatte (Attal) auf die Filmpartner seiner lebenslustigen Frau mächtig eifersüchtig. Und Charlotte kann ausgelassener als sonst ihr bezauberndes Lächeln und Lachen einsetzen.
Charlotte Gainsbourgs schauspielerische Reife zeigt sich in Domink Molls Psycho-Trip "Lemming", wo sie als Frau von Laurent Lucas durch die titelgebenden Lemminge, Charlotte Ramplings Rache und eine Reihe unvorhergesehener Ereignisse den Boden unter den Füßen verliert. Ebenso dramatisch geht es in ihrer Ehe mit Sean Penn in Alejandro Gonzalez Inarritus "21 Grams" zu, wo das Paar wegen Spenderherz und Nachwuchswunsch in die Krise treibt. Ungehemmt spielerisch und wieder verträumt ist dagegen ihre Nachbarin von Gael Garcia Bernal in Michel Gondrys surrealem Paris-Love-Trip "The Science of Sleep" (2006).
Charlotte Gainsbourg sang die Titelsongs der Filme "Charlotte for ever" (1986), "Love, etc." (1996) und "L'un reste, l'autre part" (2005).
Charlotte Gainsbourg ist mit Yvan Attal verheiratet. Das Paar hat zwei Kinder. Ihre Halbschwestern sind die Schauspielerin Lou Doillon, Tochter von Regisseur Jacques Doillon, und die Fotografin Kate Berry.