Шарлотта Генсбур родилась в 1971 году в Лондоне, в семье певца Сержа Генсбура и актрисы Джейн Биркин. Училась в частной школе Beau Soleil в Швейцарии. Начала актерскую карьеру во Франции в 1984 году, снявшись в скандальном видеоклипе на песню отца "Лимонный инцест". Через два года начинающая актриса получила премию "Сезар" за роль в семейной драме Клода Миллера "Дерзкая девчонка". В 2000 году Генсбур получает "Сезар" уже как лучшая актриса за фильм "Рождественский пирог". В 2006 году Генсбур сыграла в фильме Мишеля Гондри "Наука сна", в 2007-м — в байопике Тодда Хэйнса о Бобе Дилане "Меня там нет". В 2009 году получила приз Каннского кинофестиваля за главную роль в фильм Ларса фон Триера "Антихрист". Генсбур снялась во французско-австралийском фильме "Дерево", вышедшем в 2010 году, а также в "Меланхолии" Ларса фон Триера. Была членом жюри 62-го Берлинского международного кинофестиваля в феврале 2012 года. Время от времени выступает в качестве певицы, выпустила несколько сольных альбомов: Charlotte for Ever (1986), 5:55 (2006), IRM (2009).