Charlotte Lucy Gainsbourg (Londres, 21 de julho de 1971) é uma atriz e cantora franco-inglesa. É filha do ator, compositor e cantor francês Serge Gainsbourg e da atriz Jane Birkin. Cresceu numa família ligada ao teatro e à música.

Fez o seu primeiro filme em 1984, Paroles et musique. Em 1986 ganhou o César de atriz mais promissora pela sua participação no filme L'éffrontée. Em 2000, voltou a ganhá-lo, desta vez de melhor atriz coadjuvante no filme La Bûche.

Em 2001, ela foi membro do júri no Festival de Cannes.

Em 2009, ela recebeu o prémio de Melhor Atriz no Festival de Cannes por seu trabalho em Anticristo. Além da sua carreira como atriz, gravou dois álbuns e cantou a canção-título de um dos seus filmes, e é garota-propaganda da grife de roupas Gérard Darel.

Atualmente vive e trabalha em França, onde é casada com o ator e realizador Yvan Attal, pai dos seus dois filhos.