Fille de Serge Gainsbourg et de Jane Birkin, Charlotte Gainsbourg voit le jour à Londres le 21 juillet 1971, à Londres. Elle entre dans le showbiz dès son adolescence alors qu'on la voit dans de nombreux films. C'est dans Paroles et musique qu'elle fait ses débuts au cinéma, à 13 ans. On la voit ensuite dans son premier rôle de marque dans L'Effrontée, qui lui vaut d'ailleurs le César du meilleur espoir féminin en 1986. Elle a ensuite l'occasion de travailler son père sur l'album Charlotte for Ever (1986) et avec sa mère dans le film Kung Fu Master! (1987).
Un autre rôle marquant lui est confié en 1988 quand elle tient la vedette dans La petite voleuse. Elle décide ensuite de se consacrer entièrement au cinéma. On la voit notamment dans les films Amoureuses, Jane Eyre, Ma femme est une actrice, 21 Grammes, I'm Not There et Antechrist.
Au milieu des années 90, elle s'intéresse à nouveau à la chanson en participant au projet des Enfoirés qui a pour but d'amasser des fonds pour un organisme caritatif. En 1996, on l'entend sur la bande originale du film Love, etc... et quatre ans plus tard, on peut l'entendre sur l'album Music de Madonna, précisément sur la pièce What It Feels Like for a Girl. En 2006, elle lance l'album 5:55 en collaboration avec Air où elle chante autant en français qu'en anglais. Elle lance un autre disque, IRM, en 2009, qui est cette fois réalisé par Beck.
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