Dětství
Charlotte Gainsbourgová je dcerou britské herečky Jane Birkinové a francouzského herce, básníka, muzikanta a režiséra Serge Gainsbourga. Dohromady má čtyři sestry a jednoho bratra - její mladší nevlastní sestra Kate Berry ale v roce 2013 spáchala sebevraždu. Kromě toho má ještě nevlastní sestru, známou modelku a zpěvačku Lou Doillonovou.