Карьера Генсбур началась в 1984 году, когда она сыграла дочь главной героини в киноленте «Слова и музыка». В 1986 году актриса предстала в новом образе в драме «L’Effrontée», за работу в этом фильме Генсбур в 2000 году получила престижную премию «Сезар» и звание самой многообещающей актрисы. На эту же премию она была номинирована в 1989 году за еще одну свою запоминающуюся игру в киноленте «Маленькая воровка» (1988 год). После этого актрису можно было увидеть еще в нескольких фильмах: «И свет во тьме светит» (1990 год), «Спасибо, жизнь» (1991 год) и в киноленте «У всех на виду» (1991 год).
Международная слава пришла к Шарлотте в 1992 году после ее роли в картине Эндрю Биркина «Цементный сад». Игра актрисы в столь неоднозначном фильме привлекла к ней внимание любителей кино во всем мире. В 1996 году Шарлотта Генсбур сыграла в экранизации романа «Джейн Эйр». А в 1997 году актрису снова ждала номинация «Сезар», на этот раз за исполнение роли в картине 1996 года «Любовь etc.».
В 1999 году Шарлотта Генсбур снялась в фильме «Губы», участие в котором принесло ей премию «Сезар» за лучшую актерскую игру. В том же году она сыграла в фильме «Нарушительница», но эта кинолента не удостоилась никаких наград. В течение следующих нескольких лет Charlotte Gainsbourg снялась еще в нескольких фильмах. Но вернула внимание к ее персоне игра в драме «Лемминг» 2006 года. В том же году Генсбур посчастливилось сняться в получившей премию «Оскар» картине «Наука сна», где Шарлотта играла вместе со знаменитым Гаэлем Гарсия Берналем.
Помимо актерской карьеры, Шарлотта увлечена пением и сочинительством музыкальных композиций. Первый раз она вышла на сцену в 1983 году, исполнив в дуэте с отцом песню «Lemon Incest». В 1986 году она выпустила свой дебютный диск, который получил название «Charlotte for Ever». А в 2005 году вышел ее второй диск, озаглавленный «L’une reste, l’autre part». Вслед за ним в 2006 году певица выпустила свой третий сборник - «5:55».
В 2010 году вышла кинолента «Дерево» с участием Шарлотты Генсбур. А в 2011 году свет увидела «Меланхолия».