Fille de Serge Gainsbourg et de Jane Birkin, Charlotte Gainsbourg naît le 21 juillet 1971 à Londres, alors que l'album Histoire de Melody Nelson est apparu chez les disquaires.
Très tôt, elle baigne dans l'univers musical familial et fait son apprentissage au piano. C'est cependant au cinéma que sa carrière artistique débute dans les films Paroles et musique (1984) d'Elie Chouraqui, alors qu'elle est encore étudiante. L'effrontée (1985) de Claude Miller lui apporte un César.
Ses premiers pas dans la chanson s'accompagnent d'une polémique à propos du titre « Lemon Incest », duo figurant sur l'album de son père, Love on the Beat, en 1984.
Dans la foulée, il lui écrit un premier album sur mesure, Charlotte for Ever (1986), comprenant deux autres duos. Le disque surprend en ce qu'il propose une voix à peine muée et une thématique filiale inédite. Il inspire à son père le film homonyme, dans lequel elle joue son propre rôle.
Charlotte Gainsbourg poursuit sa carrière cinématographique ponctuée par des rôles difficiles (La Petite voleuse, Merci la vie) ou des comédies (La Bûche en 2000, nouveau César). Mariée à l'acteur Yvan Attal, celui-ci réalise deux longs-métrages mettant en scène leur relation : Ma Femme est une actrice (2001) et Ils se marièrent et eurent beaucoup d'enfants (2003).
Côté musique, elle intègre la troupe des Enfoirés en 1994 et en 2001, et chante sur les bandes originales des films Love, etc.(1996) et L'un reste, l'autre part (2005). Elle effectue également le duo « If » avec Etienne Daho (2003).
Son second album, 5:55 (août 2006) paraît vingt ans après le premier. Egalement bilingue, il comprend des chansons écrites par Jarvis Cocker, Neil Hannon (The Divine Comedy) et le duo Air qui en concocte la bande-son avec le producteur Nigel Godrich.
Le Prix d'interprétation féminine lui est attribué au Festival de Cannes 2009 pour son rôle dans Antichrist de Lars Von Trier.
En décembre 2009 paraît IRM, troisième album enregistré avec Beck à Los Angeles. L'album, qui doit son titre à l'accident vasculaire cérébral survenu en septembre 2007, est porté par les singles « Heaven Can Wait » et « Masters Hand ». Deux ans après, Stage Whisper se compose de huit nouveaux titres concoctés par Connan Mockasin, Asa Taccone d'Electric Guest (« Anna »), Charlie Fink (Noah & The Whale), Conor O'Brien (Villagers) et d'une partie en public provenant de sa première tournée.
Parallèlement à une filmographie audacieuse qui s'allonge, l'une des personnalités préférées des Françaiscompose et écrit pour la première fois dans sa langue natale pour soncinquième album Rest (2017). Produit par SebastiAn, marqué par les deuils (dont celui de sa demi-soeur Kate Barry, en 2013), il accueille d'autres titres signés Paul McCartney et Guy-Manuel de Homem-Christo (Daft Punk) et la collaboration du multi-instrumentiste Émile Sornin (Forever Pavot). Un premier extrait homonyme est diffusé en amont avant les suivants « Deadly Valentine » et « Ring-a-Ring O'Roses ».
