Летом 2007 года, после незначительного происшествия во время катания на водных лыжах в США, Шарлотта начала испытывать сильные головные боли. Как позже выяснилось, она перенесла внутримозговое кровоизлияние, 5 сентября она была экстренно госпитализирована в парижскую больницу, где ей была проведена успешная операция на мозге.
Полное имя — Шарлотта Луси Генсбур (Charlotte Lucy Gainsbourg).
Её сёстры по матери — актрисы Лу Дуайон и Кейт Бэрри. Со стороны отца у неё — сестра Наташа (1964) и братья Пол (1968) и Люсьен (1986).
В 2001 году Шарлотта Генсбур была членом жюри Каннского кинофестиваля.
У Шарлотты Генсбур есть трое детей от гражданского брака с Иваном Аталлем: Бен Атталь (12.06.97), Элис Атталь (08.11.02) и Джо Атталь (16.07.11).