È figlia di Godfrey Rampling, ex-atleta (premiato alle olimpiadi 1932 e 1936), colonnello dell'esercito (poi comandante NATO) e di Anne Gurteen, pittrice. Trascorre l'infanzia tra la Francia e l'Inghilterra e completa a Londra le scuole superiori. Già a 13 anni si esibisce nei pub con la sorella Sarah in piccoli show canori.
Va a vivere per qualche mese a Madrid frequentando l'università , che presto abbandona per unirsi a una band canadese, in cui canta e suona la chitarra. Nel 1963 inizia la professione di indossatrice e modella.
Debutta 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. Viene notata da Roman Polanski che ne intuisce le qualità e la vorrebbe in Cul-de-sac, ma lei ha già firmato un contratto per Otto facce di bronzo e deve rinunciare; il ruolo verrà assegnato a Jacqueline Bisset.
Nel 1966 inizia un periodo non particolarmente felice della sua vita: la sorella Sarah, dopo aver dato alla luce un bambino prematuro, si suicida. Charlotte e suo padre decidono di tenere la madre all'oscuro di questo particolare e dichiareranno sempre che la morte di Sarah era dovuta a un'emorragia cerebrale. Solo nel 2001, alla morte della madre, Charlotte rivela alla stampa questa verità .
All'epoca, la giovane attrice decide di dedicarsi per circa un anno alla meditazione e allo studio delle religioni orientali, ritirandosi in un monastero in Scozia. Nel 1968, appena ventiduenne, viene chiamata in Italia per un ruolo secondario ne La caduta degli dei (1969). Il regista Luchino Visconti, pur consapevole della differenza tra l'età dell'attrice e il ruolo da interpretare, le affida la parte di una madre trentasettenne, che viene deportata, assieme ai suoi due bambini, in un campo di concentramento.
La consacrazione a livello internazionale arriva però con un altro film italiano, Il portiere di notte (1974) di Liliana Cavani, in cui veste i panni di una ebrea perseguitata durante il nazismo. La sua immagine con il berretto lucido da ufficiale delle Schutzstaffel, lunghi guanti di pelle nera e le bretelle sopra il seno nudo fa il giro del mondo, ma la Rampling rifugge dall'improvvisa popolarità di quel ruolo, temendo di essere imprigionata sotto un'etichetta di "regina della perversione".
È di questi anni il suo ménage a trois con il fotografo Randall Lawrence e il suo migliore amico, l'agente pubblicitario Brian Southcombe, che nel 1972 sposa e da cui ha un figlio, Barnaby, oggi regista televisivo. Il matrimonio finisce quattro anni dopo[1]. Nel 1977 al Festival di Cannes incontra il compositore francese Jean-Michel Jarre, che sposa l'anno successivo; dal matrimonio nascono altri due figli.
Negli anni novanta, se si eccettua qualche rara apparizione cinematografica, si dedica soprattutto alla televisione per tornare sul grande schermo nel nuovo decennio. 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 candidature a premi come il Cèsar e l'European Film Award e, nel 2003, la vittoria di quest'ultimo. Nel 2013 interpreta il ruolo della neuropsichiatra Evelyn Vogel nella nota serie americana Dexter, dal nome dell'omonimo serial killer di cui sarà la coprotagonista.
Nel 2015 vince l'Orso d'argento per la migliore attrice al Festival di Berlino con 45 anni di Andrew Haigh, al fianco di Tom Courtenay (anch'egli premiato come migliore attore). Il film, che tratta di una crisi coniugale dopo quarantacinque anni di matrimonio, è un successo di critica che permette all'attrice di venire candidata ad altri premi importanti: agli European Film Awards 2015 vince il secondo premio come migliore attrice europea oltre a quello alla carriera e viene candidata ai premi Oscar 2016 come migliore attrice protagonista. Ha inoltre vinto la Coppa Volpi per la migliore interpretazione femminile al Festival di Venezia 2017 per il film Hannah