Шарлотта Генсбур родилась 21 июля 1971 года в Лондоне. Она дочь знаменитых Сержа Генсубра и Джейн Биркин. Именно Джейн подтолкнула ее к тому, чтобы она появилась перед камерой, а ее отец, чтобы она взяла в руки микрофон. Ее первая роль была предначертана заранее - фильм «Слова и Музыка» Эли Шураки. Ей было 13 лет. В 1986 году Клод Миллер предложил ей сыграть в «Дерзкой девочке». Ее игра принесла ей Сезара в 1986 году. В том же году ее любимый папа пишет для нее альбом Charlotte for Ever.
В 1988 году Клод Миллер снова зовет ее сняться в «Маленькой Воровке». Но только благодаря «Спасибо, жизнь» Бертрана Блие, Шарлотта Генсбур чувствует себя готовой к карьере в кино. Парадоксально, но именно в этот момент кажется, что ее карьера не движется.
Ее карьера оживляется в 2001 году, она снимается в двух фильмах своего мужа Ивана Атталя: «Моя жена – актриса» и «Они поженились и у них было много детей». Она играет также в фильме «21 грамм» с Шоном Пенном и Наоми Уоттс. В 2006 году Шарлотта Генсбур решается, наконец, выпустить свой второй альбом 5:55. В альбоме есть песни, как на французском, так и на английском языке. Успех у критики и публики! В то же году, она снимается вместе с Аленом Шаба в комедии «Как жениться и остаться холостым».
В ночь с 5 на 6 сентября 2007 года, она была срочно прооперирована по поводу кровоизлияния в головной мозг, после несчастного случая на водном мотоцикле. Это был сущий кошмар, но операция прошла успешно. В 2009 году актриса стала лицом аромата Balenciaga и снялась в скандально известном фильме «Антихрист», который вызвал бурное обсуждение в прессе. При это бросать музыку она тоже не собирается.