Nasce a Sturmer, in Gran Bretagna il 5 febbraio del 1946, attrice dal fascino ambiguo e dall'innato talento, figlia di un colonnello dell'esercito (poi comandante NATO e pittore), Charlotte Rampling trascorre l'infanzia e l'adolescenza in esclusivi collegi inglesi e francesi e, successivamente, inizia la professione di indossatrice e modella per poi debuttare nel cinema con un piccolissimo ruolo in "Non tutti ce l'hanno" (1965), film di Richard Lester vincitore della Palma d'oro al festival di Cannes.

Inizia un periodo non particolarmente felice della sua vita: la sorella Sarah si suicida appena ventunenne e, anche professionalmente, le cose sembrano non andare particolarmente bene. Però, dopo una serie di film privi di particolare rilievo, viene chiamata da Luchino Visconti per "La caduta degli dei" (1969). La consacrazione a livello internazionale arriva però con un altro film italiano, "Il portiere di notte" di Liliana Cavani. Intanto nel 1972 si sposa con Brian Southcombe, un agente pubblicitario, da cui ha un figlio: Barnaby che diventerà regista televisivo. Il matrimonio finisce nel 1976. Dal 1978 al 1996 è invece sposata con il compositore francese Jean-Michel Jarre; dal matrimonio nascono altri due figli.

Negli anni Novanta, fatta eccezione di qualche rara apparizione cinematografica, si dedica soprattutto alla televisione per tornare sul grande schermo nel nuovo decennio. La Rampling affianca Sean Connery sul set del fantascientifico "Zardoz" (1973), poi dopo il ruolo dell'ereditiera Claire nel noir "Un'orchidea rosso sangue" (1975) e dopo aver fatto girare la testa all'investigatore Robert Mitchum in "Marlowe", il poliziotto privato (1975), torna a lavorare in Italia e si esibisce in un balletto memorabile in coppia con Adriano Celentano per Yuppi Du (1975). Dopo "Foxtrot" (1976), "Un taxi color malva" (1977) e "L'orca assassina" (1977), Charlotte recita insieme a Woody Allen in "Stardust Memories" (1980) e quindi affianca Paul Newman nel film "Il verdetto" (1982) di Sidney Lumet. La sua carriera prosegue senza sosta tra l'Europa e gli Stati Uniti, dove recita in "Angel Heart - Ascensore per l'inferno" (1987) accanto a Mickey Rourke e durante gli anni Novanta l'attrice si dedica anche alla televisione.

Nel 2000 Charlotte torna sul grande schermo con l'intenso "Sotto la sabbia" di François Ozon, poi dopo la partecipazione a "Il quarto angelo" (2001), interpreta il ruolo della ricca Elisabeth in "Baciate chi vi pare" (2002), diretto da Michel Blanc e tratto dal romanzo 'Summer things' di Joseph Connoly. Ma non finisce qui, a sessant'anni è sempre richiestissima. Tra i suoi ultimi film si segnalano i due diretti da François Ozon: "Sotto la sabbia" (2000) e "Swimming Pool" (2003), che le valgono varie nomination a premi come il Cèsar e l'European Film Award e, nel 2003, la vittoria di quest'ultimo, inoltre è protagonista al fianco di Kim Rossi Stuart nel film "Le chiavi di casa" (2004) di Gianni Amelio e "Due volte lei" (2006), il nuovo, inquietante film di Dominik Moll.