Чулпан родилась 1 октября 1975 года в Казани в семье инженеров Наиля Ахметовича и Марины Галимулловны Хаматовых. Когда Чулпан исполнилось десять лет у нее появился младший брат Шамиль. В раннем возрасте девочка занималась фигурным катанием, а ближе к окончанию школы училась в классе с математическим уклоном. Ее школа была приписана к Казанскому государственному финансово-экономическому институту, потому, получив на выпускных экзаменах отличные оценки, Хаматова была автоматически зачислена в экономический ВУЗ. Не проучившись там и дня, летом она забрала документы и перевелась в театральное училище. Новые учителя Чулпан разглядели в ней природный талант к актерской профессии и настоятельно рекомендовали девочке продолжить обучение в столице. В итоге Хаматова поступила на курс Алексея Бородина в Российский университет театрального искусства.
Очень быстро девушка начала играть в театральных постановках. Она появлялась на сцене Российского академического молодёжного театра, Театра Луны, Театра Антона Чехова и других. В итоге Чулпан была принята в труппу московского театра «Современник», в котором и осталась. Первой работой здесь стала роль в постановке романа Эриха Марии Ремарка «Три товарища». Кинематографический дебют Хаматовой состоялся еще в 1997 году во время обучения на третьем курсе ГИТИСа. Это была драма Вадима Абдрашитова «Время танцоров», фигурально рассказывающая о войне Абхазии и Приднестровья. Партнерами по съемочной площадке стали такие актеры, как Сергей Гармаш и Юрий Степанов. За исполнение лучшей женской роли Чулпан была выдвинута на премию «Ника».
В следующем году Валерий Тодоровский пригласил Хаматову на главную женскую роль в своем новом проекте «Страна глухих». Фильм был снят по мотивам повести Ренаты Литвиновой «Обладать и принадлежать». В картине также снимались начинающие актеры Дина Корзун и Максим Суханов. Картина быстро получила статус культовой, а зрители в полной мере насладились раскрывшимся талантом начинающей актрисы. Набирающую популярность Чулпан пригласили в музыкальный проект «Старые песни о главном 3». В 1999 году на экраны вышла интернациональная трагикомедия Бахтияра Худойназарова «Лунный папа». После него Чулпан исполнила роль в германской картине Файта Хелмера «Тувалу». В 2000 году Хаматова сыграла в немецкой драме «Англия!», впервые показанной на Мюнхенском кинофестивале. Одновременно с этим девушка исполнила главную женскую роль в мелодраме «Рождественская мистерия». Ее партнерами по картине были Александр Абдулов и Сергей Шакуров.
Следующей работой стала мелодрама Ивана Щеглова и Марины Сахаровой «Я вам больше не верю». В ней Чулпан создала образ потенциальной самоубийцы, страдающей от несчастной любви к преподавателю. В 2001 году Хаматова появилась в немецком проекте «Виктор Фогель — король рекламы» и в отечественном боевике Владимира Брагина «Львиная доля». В 2002 году в браке с первым мужем Иваном Волковым родилась дочь Арина. В том же году Чулпан развелась с супругом. Следующим ее избранником и гражданским мужем стал танцовщик балета Алексей Дубинин. В этом неофициальном браке появилась вторая дочь – Алина.
После некоторого перерыва в творчестве, Хаматова вновь вернулась в кинематограф. В 2003 году зрители увидели актрису в трагикомедии Вольфганга Беккера «Гуд бай, Ленин!». Картина получила несколько престижных кинематографических наград и признание критиков. В военной драме Владимира Хотиненко «72 метра» Чулпан работала с Маратом Башаровым и Сергеем Маковецким. Позднее в карьере актрисы появилось несколько работ в сериалах «Дети Арбата», «Гибель империи», «Доктор Живаго», «Достоевский». В 2006 году Хаматова исполнила главную женскую роль в фантастическом триллере Филиппа Янковского «Меченосец». В 2010 году актриса появилась в картине Гарика Сукачева «Дом Солнца». Фильм был снят по повести Ивана Охлобыстина и рассказывал о субкультуре хиппи. В этом же году у Чулпан родилась третья дочь Ия от третьего мужа актера и режиссера Александра Шейна.
