En 1984, Jane Birkin, en tournage sur La Pirate de Jacques Doillon, incite sa fille à passer le casting d’Élie Chouraqui pour Paroles et musique. Elle obtient ainsi son premier rôle à l’âge de 13 ans.

L’année, suivante, Jacques Doillon lui offre quelques répliques dans La Tentation d'Isabelle qui lui vaut d’être remarqué par Claude Miller. Ce dernier va lui offrir un des principaux rôles de son film L'Effrontée. Sa performance lui vaut alors le César du Meilleur Jeune Espoir Féminin en 1986.

Elle travaille ensuite avec son père (Charlotte for Ever en 1986), puis avec sa mère (Kung Fu Master ! en 1987).

En 1988, Claude Miller fait de nouveau appel à elle pour La Petite Voleuse d’après un scénario de François Truffaut.

Mais c’est seulement avec Merci la vie de Bertrand Blier que Charlotte décide de faire carrière dans le cinéma : «C'est vraiment là que j'ai décidé de continuer à faire ce métier.

Avant, je me cachais derrière des prétextes. Je voulais faire bonne figure. Et si on n'allait plus me proposer de rôles ? Cela me terrifiait. Alors je préférais raconter que je ne savais pas si j'allais poursuivre dans cette voie.» (Le Figaro, 23 juin 1996).

Paradoxalement, c’est à ce moment-là que sa carrière semble stagner, malgré ses retrouvailles avec Jacques Doillon dans le rôle principal de Amoureuse. Sa carrière redémarre à partir de 2001 avec les deux films de son mari Ma femme est une actrice et Ils se marièrent et eurent beaucoup d'enfants ainsi qu’au niveau international avec 21 grammes où elle joue aux côtés de Sean Penn.

Liste des films de Charlotte Gainsbourg

1984 : Paroles et musique d'Elie Chouraqui
1985 : L'Effrontée de Claude Miller
1985 : La Tentation d'Isabelle de Jacques Doillon
1986 : Charlotte for Ever de Serge Gainsbourg
1987 : Jane B par Agnès V d'Agnès Varda
1987 : Kung-fu master ! d'Agnès Varda
1988 : La Petite Voleuse de Claude Miller
1990 : Merci la vie de Bertrand Blier
1990 : Aux yeux du monde de Éric Rochant
1990 : Le Soleil même la nuit (Sole anche di notte)
1991 : Amoureuse de Jacques Doillon
1991 : Contre l'oubli de Patrice Chéreau
1991 : Anna Oz de Éric Rochant
1992 : Cement Garden (The Cement Garden) d'Andrew Birkin
1993 : Grosse Fatigue de Michel Blanc, dans son propre rôle
1994 : Jane Eyre de Franco Zeffirelli
1995 : Anna Oz d'Éric Rochant
1996 : Love, etc. de Marion Vernoux
1998 : Passionnément de Bruno Nuytten
1999 : Suspicion (The Intruder) de David Bailey
1999 : La Bûche de Danièle Thompson
2000 : Félix et Lola de Patrice Leconte
2000 : Les misérables de Josée Dayan (TV)
2001 : Ma femme est une actrice d'Yvan Attal
2004 : Ils se marièrent et eurent beaucoup d'enfants d'Yvan Attal
2004 : 21 grammes (21 Grams) de Alejandro González Iñárritu
2005 : L'un reste, l'autre part de Claude Berri
2005 : Lemming de Dominik Moll
2006 : La Science des rêves de Michel Gondry
2006 : Prête-moi ta main d'Eric Lartigau
2007 : I'm not there de Todd Haynes [en post-production]
2007 : The Golden Door d'Emanuele Crialese [en post-production]