Шарлотта Генсбур родилась 21 июля 1971 года в Лондоне, в семье знаменитого певца, режиссера и актера Сержа Генсбура и актрисы и певицы Джейн Биркин. Шарлотта выросла и живет в Париже, на родине отца. В настоящее время она замужем за известным французским актёром и режиссёром Иваном Атталем; пара воспитывает двоих детей.

Шарлотта Генсбур начала свою актерскую карьеру во Франции, сыграв дочь героини Катрин Денев в фильме 1984 года «Слова и музыка». 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 ее дяди Эндрю Биркина «Цементный сад» - драматическая история братьев и сестер, после смерти родителей вступивших в инцестуальные отношения.

В 2000 году Генсбур получает «Сезар» уже как лучшая актриса, за фильм «Губы». Кроме этого, она номинируется на эту престижную премию еще 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 выходит долгожданный фильм французского режиссера, обладателя премии «Оскар» Мишеля Гондри «Наука сна», где Генсбур играет в дуэте с Гаэлем Гарсия Берналем.

Шарлотта Генсбур время от времени выступает в качестве певицы: ее 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 сезоне осень-зима 2008/2009 Шарлотта Генсбур была лицом парфюмерного бренда Balenciaga.