Шарлотта Генсбур родилась 21 июля 1971 года в Лондоне, в семье певца, режиссёра и актёра Сержа Генсбура и актрисы и певицы Джейн Биркин. Училась в частной школе Beau Soleil в Швейцарии.
Шарлотта Генсбур начала свою актёрскую карьеру во Франции, сыграв дочь героини Катрин Денёв в фильме 1984 года «Слова и музыка» и снявшись в том же году в скандальном видеоклипе на песню её отца «Лимонный инцест». Уже через два года начинающая актриса получила главную премию во французском кинематографе «Сезар» как самая многообещающая исполнительница за роль в семейной драме Клода Миллера L’Effrontée. В 1990 годах к Шарлотте приходит международный успех, после того как на экраны выходит фильм её дяди Эндрю Биркина «Цементный сад» — драматическая история братьев и сестёр, после смерти родителей вступивших в инцестуальные отношения.
В 2000 году Генсбур получает «Сезар» уже как лучшая актриса, за фильм «Рождественский пирог». Кроме этого, она номинируется на эту престижную премию ещё дважды (за «Маленькую воровку» в 1989 году и «Любовь etc.» в 1997). В 2006 году Шарлотту можно было увидеть в психологической драме «Лемминг», где она сыграла с другой Шарлоттой — Рэмплинг. Кроме того, осенью 2006 года на мировые экраны вышел фильм французского режиссёра, обладателя премии «Оскар» Мишеля Гондри «Наука сна», где Генсбур играла в дуэте с Гаэлем Гарсия Берналем. В 2007 году сыграла Клэр в байопике Тодда Хэйнса об Бобе Дилане «Меня там нет», а также исполнила кавер на песню Дилана Just Like a Woman на саундтреке к фильму. В 2009 году она получила Приз за лучшую женскую роль Каннского кинофестиваля за фильм «Антихрист». Генсбур снялась во французско-австралийском фильме «Дерево», вышедшем в 2010 году, и в научно-фантастическом фильме-катастрофе Ларса фон Триера «Меланхолия». Она была членом жюри 62-го Берлинского международного кинофестиваля в феврале 2012 года. В мае 2012 года состоялась премьера фильма «Исповедь сына века», где она снялась вместе с британским музыкантом Питом Доэрти.
Шарлотта Генсбур время от времени выступает в качестве певицы: её вокальным дебютом стал дуэт с отцом в песне Lemon Incest (1983). Затем Генсбур несколько раз записывала песни для фильмов со своим участием. Так, её можно услышать в картинах «Шарлотта навсегда», «Любовь etc.», «Один уходит — другой остается». Кроме того, актриса выпустила несколько сольных альбомов: Charlotte for Ever (1986; продюсером альбома выступил отец Шарлотты, также исполнив с ней в дуэте 2 песни), 5:55 (2006), IRM (2009; продюсер этого альбома — Beck).
С 1990-х годов Шарлотта состоит в незарегистрированном браке с актёром и режиссёром Иваном Атталем (г.р.1965). У пары есть трое детей — Бен Атталь (12.06.1997), Элис Атталь (08.11.2002) и Джо Атталь (16.07.2011).
Летом 2007 года, после незначительного происшествия во время катания на водных лыжах в США, Шарлотта начала испытывать сильные головные боли. Как позже выяснилось, она перенесла внутримозговое кровоизлияние, 5 сентября она была экстренно госпитализирована в парижскую больницу, где ей была проведена успешная операция на мозге.
