Fille de Serge Gainsbourg et de Jane Birkin, Charlotte Gainsbourg débute à l'écran à 13 ans en fille de Catherine Deneuve dans PAROLES ET MUSIQUE (Elie Chouraqui, 1984).

Claude Miller la révèle en ado craquante dans L'EFFRONTÉE (1985) avant de la confirmer en jeune héroïne « truffaldienne » dans LA VOLEUSE (1988).

Son père la dirige dans CHARLOTTE FOR EVER (1986), lui fait chanter des duos et un album éponyme, et Agnès Varda la convie aux côtés de sa mère dans KUNG FU MASTER et JANE B. PAR AGNES V. (1988).

Jeune femme, elle retrouve foi dans le cinéma avec MERCI LA VIE de Bertrand Blier (1991) et rencontre son amoureux Yvan Attal sur AUX YEUX DU MONDE (Eric Rochant, 1991) puis le retrouve pour AMOUREUSE (Jacques Doillon, 1991) et LOVE, ETC. (Marion Vernoux, 1996).

Premiers films en anglais CEMENT GARDEN de son oncle Andrew Birkin (1992), SUSPICION du photographe David Bailey (1999) et elle incarne JANE EYRE (Franco Zeffirelli, 1996) face à William Hurt.

Elle reste une amoureuse intense dans PASSIONNÉMENT (Bruno Nuytten, 2000) avec Gérard Lanvin et FÉLIX ET LOLA (Patrice Leconte, 2001) avec Philippe Torreton.

La fantaisie lui va bien et attire le public chez Danièle Thompson (LA BÛCHE, 1999), Yvan Attal (MA FEMME EST UNE ACTRICE, 2001), Michel Gondry (LA SCIENCE DES RÊVES, 2006) et face à Alain Chabat (PRÊTE-MOI TA MAIN, Eric Lartigau, 2006).

Les productions internationales réclament son potentiel émotionnel face à Sean Penn dans 21 GRAMMES (Alejandro Gonzalez Iñarritu, 2003), à Heath Ledger dans I'M NOT THERE (Todd Haynes, 2007), à Pete Doherty dans CONFESSION D'UN ENFANT DU SIÈCLE (Sylvie Verheyde, 2012).

Un temps visage de marque (Gérard Darel, Balenciaga), elle revient à la musique avec les albums « 5.55 » (2006, en anglais) et « IRM » (2009, en anglais et français), épaulée par Air, Jarvis Cocker et Beck.

Elle passe avec aisance de l'immigrante de GOLDEN DOOR (Emanuele Crialese, 2006) à la jeune mère en pleine renaissance de L'ARBRE (Julie Bertuccelli, 2010).

Rencontre décisive avec le virtuose et extrême Lars Von Trier qui l'embarque en femme meurtrie dans son vertigineux ANTICHRIST (2009) qui la consacre à Cannes, et qui la rappelle pour MELANCHOLIA (2011) et NYMPHOMANIAC (2013).