Charlotte Lucy Gainsbourg (Londen, 21 juli 1971) is een Franse actrice en zangeres. Ze is de dochter van Serge Gainsbourg en Jane Birkin.
Gestimuleerd door haar moeder begon Gainsbourg haar acteercarrière al op vroege leeftijd. In 1984 debuteerde Gainsbourg in de film Paroles et Musique. Kort daarna speelde ze in L'Effrontée, een rol die haar een César-onderscheiding voor de meest veelbelovende actrice opleverde. Hierna was ze nog in verscheidene producties te zien, waaronder Jane Eyre naar het boek van Charlotte Brontë. Daarnaast heeft ze op het Parijse toneel gestaan. In 2009 ontving ze tijdens het filmfestival van Cannes voor haar rol in de horrorfilm Antichrist van Lars von Trier de prijs voor beste vrouwelijke actrice. Met name de laatste jaren speelt zij regelmatig in films van deze regisseur.
Naast acteren werd het zingen Gainsbourg met de paplepel ingegoten. Zij nam op haar dertiende het nummer Lemon Incest met haar vader op, en ook bij de film Charlotte For Ever bracht ze een gelijknamige cd uit.