Полное имя - Шарлотта Луси Генсбур (Charlotte Lucy Gainsbourg). Отец - актёр, режиссёр и певец Серж Генсбур, мать - актриса и певица Джейн Биркин.

Есть трое детей от гражданского брака с Иваном Аталлем: Бен Атталь (12.06.97), Элис Атталь (08.11.02) и Джо Атталь (16.07.11).

Не собиралась становиться актрисой, решив выучиться на историка искусств, но известность пришла к ней после того, как вместе с отцом она записала одну из самых скандальных французских песен Lemon Incest и снялась в фильме Эли Шураки "Слова и музыка" (Paroles et musique, 1984).

1985 год отмечен ролями в фильме тогдашнего спутника матери Жака Дуайона "Искушение Изабель" (La tentation d'Isabelle) и в "Дерзкой девчонке" (L'effrontée) Клода Миллера, после чего отец специально для дочери пишет сценарий "Шарлотта навсегда" (Charlotte for Ever, 1986).

После первого Сезара за роль в "Дерзкой девчонке" Клод Миллер решает, что наконец-то нашлась актриса для "Маленькой воровки" (La petite voleuse) - этот сценарий был написан мэтром Франсуа Трюффо чуть ли не одновременно с "400 ударами", но, по легенде, не стал фильмом лишь из-за отсутствия достойной исполнительницы.

В ближайшие годы следует несколько заметных ролей в фильмах Аньес Варда, Бертрана Блие и Жака Дуайона.

На съёмках фильма Эрика Рошана "У всех на виду" (Aux yeux du monde, 1991) Шарлотта знакомится с актером Иваном Атталем, который становится её спутником жизни.

В 1990 годах к Шарлотте приходит международный успех, после того как на экраны выходит фильм её дяди Эндрю Биркина "Цементный сад" (The Cement Garden, 1992) - драматическая история четверых детей, оставшихся без родителей.

В 2000 году Генсбур получает "Сезар" уже как лучшая актриса, за фильм "Губы". 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"(Lemming), где она сыграла с другой Шарлоттой - Рэмплинг. Кроме того, осенью 2006 года на мировые экраны выходит долгожданный фильм французского режиссёра, обладателя премии "Оскар" Мишеля Гондри "Наука сна" (La science des rêves), где Генсбур играет в дуэте с Гаэлем Гарсия Берналем.

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" и "Любовь etc.".

В 2005 году во Франции был выпущен диск Шарлотты Генсбур под названием L'une reste, l'autre part.

В 2006 году вышел её новый альбом "5:55".