Родилась в Лондоне в семье сына российских евреев,  знаменитого певца и артиста Сержа Генсбура (Люсьена Гинсбурга). Её мать Джейн Биркин происходила из английской семьи с давними традициями, была известной английской и французской актрисой. Шарлотта училась в частной школе в Швейцарии и когда родители разошлись, предпочла жизнь во Франции со своим знаменитым отцом. Начала  актёрскую карьеру очень рано. В 13 лет снялась в фильме «Слова и музыка». Через 2 года режиссёр Клод Миллер пригласил её участвовать в фильме «Дерзкая девчонка». За роль в этом фильме молодая актриса получила главную премию французского кинематографа – Сезар. Вскоре она закрепила свой успех, снявшись в картине своего дяди Эндрю Биркана «Цементный сад». В 1991 году получила роль в фильме молодого режиссёра Эрика Рошана «У всех на виду». Её партнёром по фильму был алжирский еврей, родившийся в 1965 г в Тель-Авиве, актёр и режиссёр – Иван Атталь. Вскоре после выхода фильма на экраны, они поженились, а в 1997 г. у них родился сын Бен. В 1989 и в 1997 гг. Шарлотта номинировалась на премию Сезар, а в 2000 году получила её как Лучшая актриса в фильме «Губы». В 2001 году Шарлотта была членом жюри Канского фестиваля.
 В 2007 году она получила серьёзную травму головы при аварии водного велосипеда. Ей сделали сложную операцию, которая окончилась благополучно. В последние годы она снималась в скандальных фильмах датского режиссёра Ларса фон Триера. За роль в картине «Антихрист» (2009 г.) получила Пальмовую ветвь (Первый приз) на Канском фестивале. А в 2011 году на этот престижный кинофестиваль был представлен фильм того же фон Триера «Меланхолия», в котором также снималась Генсбур. На пресс-конференции по поводу фильма скандально знаменитый режиссёр заявил о своих симпатиях к Гитлеру и о том, что «Израиль – это та ещё головная боль»… По мнению Шарлотты не нужно воспринимать слова фон Триера серьёзно, а рассматривать это как шутку. Но жюри с этим мнением не согласилось и изгнало режиссёра с фестиваля. Тем не менее, все сходятся на том, что фильм «Меланхолия» выдающееся произведение.
Шарлотта Генсбур выступает также в качестве певицы и часто записывает песни для фильмов. В 1992 году африканское государство Нигер выпустило почтовый блок с маркой-портретом Шарлотты Генсбур