Родилась 29 декабря 1981 года в Англии, графстве Дарем, в семье Михаила и Маргарет Райли. Она получила блестящее образование в Даремском университете, где изучала английский язык и лингвистику. После окончания вуза Шарлотта взяла перерыв длиной в два года. Это время актриса посвятила тому, чтобы заниматься драматическим искусством с детьми-инвалидами. Райли развернула широкую благотворительную деятельность. В частности, девушка выиграла правительственный грант, убедив Совет по Искусствам дать ей 5000 фунтов стерлингов на эти благородные цели.
После этого Шарлотта продолжила собственное образование, поступив на актерский курс в Лондонскую академию музыкального и драматического искусства.
Первые крупные роли Райли стала получать с 26 лет. В 2007-м году актриса исполнила роль в британском сериале «Инспектор Джордж Джентли». В 2008-м году появилась в экранизации пьесы Ноэля Кауорда – в успешной картине Стефана Эллиотта «Легкое поведение», где главные роли исполнили Джессика Бил, Бен Барнс, Кристин Скотт Томас, Колин Ферт и другие кинозвезды. Фильм рассказывает о сложных взаимоотношениях свекрови и невестки в аристократическом английском семействе начала ХХ века. Шарлотта исполнила роль второго плана – Сары Херст.
Через год 28-летняя Шарлотта появилась в своей «звездной» роли, сделавшей ее популярной не только в Англии, но и за ее пределами. Девушка сыграла главную героиню в экранизации бестселлера Эмили Бронте – двухсерийной ленте Коки Гидройч «Грозовой перевал» (2009). Шарлотта воплотила образ Кэтрин Эрншо, смелой красавицы, запутавшейся в чувствах любви и долга. А ее партнером на съемочной площадке стал Том Харди. Впоследствии роман между героями Харди и Райли перешел в реальную жизнь: актеры стали встречаться, чем невольно подогрели у общественности дополнительный интерес к себе. Кроме того, они закрепили успех, снов появившись вместе сразу после «Грозового перевала» – в британском мини-сериале Дэвида Друри «Прикуп» (2009). На этот раз Харди исполнил роль вышедшего из тюрьмы британца, который пытается завоевать свое место под солнцем. А Шарлотта – главный женский персонаж картины. Впоследствии Райли признавалась, что ее знакомство с Томом очень помогло в работе над многочисленными драматическими сценами проекта (например, изнасилования).
Следом уже известная актриса появилась в эпизоде детективного сериала «Мисс Марпл: Разбитое пополам зеркало» (2010) и другим телепроектах Англии.
Спустя два года Шарлотта Райли снялась в главной роли в британском фильме ужасов «Бытие» (2012), где сыграла женщину, которая решила попытаться пролить свет на страшную находку в сибирских лесах. За эту работу актриса удостоилась победы на британском фестивале «Horror Film Festival Awards-2013».
То, что известность актрисы достигла определенных высот, говорит тот факт, что режиссер Кристофер Нолан чуть было не отдал Райли лакомую роль женщины-кошки в фильме «Темный рыцарь: Возвращение легенды» (2012), но в последний момент роль досталась американке Энн Хэтэуэй.
Впрочем, Шарлотта все-таки стала получать роли в крупных американских проектах – у Лекса Сидона в мелодраме «Гранд-стрит» (2014), у Дага Лаймана в фантастическом боевике «Грань будущего» (2014) с Томом Крузом, а также у Рона Ховарда в фильме-катастрофе «В сердце моря» (2015), посвященном крушению американского корабля «Эссекс» и выживанию посреди океана его пассажиров.
