Charlotte Lucy Gainsbourg (* 21. Juli 1971 als Charlotte Lucy Ginsburg in London) ist eine französische Schauspielerin und Sängerin.
Charlotte Gainsbourg ist die Tochter des französischen Chansonniers und Schauspielers Serge Gainsbourg (1928–1991) und der britischen Schauspielerin Jane Birkin (* 1946). Sie hat zwei Halbschwestern, die Fotografin Kate Barry (1967–2013) und die Schauspielerin Lou Doillon, sowie einen Halbbruder, den Musiker Lulu, und lebt mit dem französischen Schauspieler und Regisseur Yvan Attal zusammen, mit dem sie drei Kinder hat. Sie ist ein Patenkind von Yul Brynner. Nach dem Tod ihrer Schwester zog sie von Paris nach New York.
Ihre erste Rolle in dem 1984 veröffentlichten Film Duett zu dritt erhielt Gainsbourg mit zwölf Jahren auf Vermittlung ihrer Mutter Jane Birkin. Bereits zwei Jahre später (1986) wurde sie mit einem César als beste Nachwuchsschauspielerin für ihre Darbietung in dem Film Das freche Mädchen von Claude Miller ausgezeichnet. Die zweite Zusammenarbeit mit Miller in Die kleine Diebin brachte ihr drei Jahre später die erste César-Nominierung für die weibliche Hauptrolle ein.