В детстве занималась фигурным катанием, а с восьмого класса училась в математической школе при Казанском университете. После школы несколько месяцев проучилась в Казанском государственном финансово-экономическом институте, а потом неожиданно ушла оттуда и поступила в Казанское театральное училище. Преподаватели, а именно Юнона Карева и Вадим Кешнер, поняв, что у неё «божий дар», посоветовали и посодействовали Чулпан продолжить обучение в Москве, и она поступила в ГИТИС, на курс Алексея Бородина.

Чулпан Хаматова выступала на сценах нескольких московских театров: РАМТ (Дуня Раскольникова в «Преступлении и наказании» и Анна Франк в «Дневнике Анны Франк»), Театра Луны, Театра Антона Чехова (Катя в «Позе эмигранта»), в Открытом театре Юлия Малакянца («Сильвия»).

В 1998 году приглашена в труппу московского театра «Современник». Дебют состоялся в роли Патриции Хольман («Три товарища» Эриха Марии Ремарка). Там же получила роли в спектаклях «Три сестры» (Ирина), «Мамапапасынсобака» (Андрия), «Гроза» (Катерина), «Голая пионерка» (Маша Мухина) и «Антоний & Клеопатра» (Клеопатра), а также роль Маши в новом варианте пьесы «Три сестры». В 2008 году Чулпан приняла участие в спектакле Театра Наций «Рассказы Шукшина» (режиссёр Алвис Херманис), где сыграла в девяти из 10 рассказов.

В кино Чулпан Хаматова начала сниматься на третьем курсе ГИТИСа — её пригласил на роль Кати в картине «Время танцора» режиссёр Вадим Абдрашитов. Роль Риты в фильме Валерия Тодоровского «Страна глухих» стала для неё поистине звездной — и зрители, и критики признали её одной из самых талантливых молодых актрис отечественного кинематографа. В числе других фильмов с участием Хаматовой — фильм Б.Худойназарова «Лунный папа», картина А.Кравчука «Рождественская мистерия», «72 метра» и «Гибель империи» В.Хотиненко, «Дети Арбата» А.Эшпая. Чулпан Хаматова также много работает и в Европе (немецкие ленты «Тувалу» Ф.Хельмера, «Англия» А.фон Бориса, «Гуд бай, Ленин!», «Виктор Фогель — король рекламы», австрийская «Сукин сын»).

Вместе с актрисой Диной Корзун в 2005 году организовала на сцене «Современника» благотворительный концерт «Подари мне жизнь», чтобы помочь детям с гематологическими заболеваниями. В 2006 году Чулпан и Дина стали соучредителями благотворительного фонда «Подари Жизнь», помогающего детям, страдающим от онкологических и онкогематологических заболеваний. На лето 2009 года фонд собрал и направил на лечение этих заболеваний более 500.000.000 рублей

В 2007 году в паре с фигуристом Романом Костомаровым участвовала и стала победительницей в проекте Первого канала «Ледниковый период».

В 2000 году была ведущей в ток-сериале «Другая жизнь», а также соведущей в программе «Взгляд», и в 2005 году — соведущей в телепередаче «Жди меня».