Nad rozwojem jej kariery od samego początku czuwali jej rodzice. W 1984wieku 13 lat zadebiutowała w roli Charlotte Marker, córki Margaux ([[Catherine Deneuve]]) w dramacie kanadyjskim ''Słowa i muzyka'' (''Paroles et musique'', 1984) u boku [[Christopher Lambert|Christophera Lamberta]] i [[Richard Anconina|Richarda Anconiny]]. [[Jacques Doillon]] zaangażował ją do roli dziecka w melodramacie ''La Tentation d'Isabelle'' (1985) z [[Jacques Bonnaffé|Jacquesem Bonnaffé]] i [[Xavier Deluc|Xavierem Deluc]]. W 1986 mając 15 lat zdobyła [[César (nagroda filmowa)|Cezara]] w kategorii „Najbardziej obiecująca aktorka” za rolę Charlotte Castang w adaptacji powieści [[Carson McCullers]] ''Złośnica'' (''L'effrontée'', 1985)<ref name="allocine">{{Cytuj stronę | url =https://www.allocine.fr/personne/fichepersonne_gen_cpersonne=3125.html|tytuł=Charlotte Gainsbourg|opublikowany =[[AlloCiné]]| język = fr | data dostępu = 2019-05-25}}</ref>. Zagrała także w filmie wyreżyserowanym przez swojego ojca ''Charlotte for Ever'' (1986), a na planie dramatu [[Agnès Varda|Agnès Vardy]] ''Kung - fu master'' (1988) jako Lucy partnerowała swojej matce. Za postać 16-letniej Janine Castang w dramacie ''Mała złodziejka'' (''La Petite Voleuse'', 1988) z [[Simon de La Brosse|Simonem de La Brosse]] i [[Nathalie Cardone]] była nominowana do Cezara<ref name="allocine"/>.
Wystąpiła jako Camille Pelleveau w komediodramacie [[Bertrand Blier|Bertranda Bliera]] ''Dziękuję ci, życie'' (''Merci la vie'', 1991) u boku [[Anouk Grinberg]], [[Jean Carmet|Jeana Carmeta]], [[Catherine Jacob]], [[Jean-Louis Trintignant|Jeana-Louisa Trintignanta]], [[Gérard Depardieu|Gérarda Depardieu]] i [[Annie Girardot]], a także. wW filmie napisanym i wyreżyserowanym przez jej wujka Andrew Birkina ''Cementowy ogród'' (''The Cement Garden'', 1993) wg powieści [[Ian McEwan|Iana McEwana]] ''[[Betonowy ogród]]'' zagrała 17-letnią Julie, która po śmierci matki rozpoczyna podszyty erotyzmem flirt ze swoim 15-letnim bratem. Z kolei [[Franco Zeffirelli]] powierzył jej rolę tytułową w ekranizacji powieści [[Charlotte Brontë]] ''Jane Eyre'' (1996) z udziałem [[William Hurt|Williama Hurta]], [[Anna Paquin]], [[Geraldine Chaplin]] i [[Joan Plowright]]. Kolejną nominację do [[Cezar dla najlepszej aktorki|Cezara dla najlepszej aktorki]] zdobyła jako Marie w komediodramacie ''Love, etc.'' (1996)<ref name="filmow"/>.
Zagrała Catherine Girard w dreszczowcu psychologicznym ''Intruz'' (''The Intruder'', 1999) z [[Nastassja Kinski|Nastassją Kinski]], [[Molly Parker]] i [[John Hannah|Johnem Hannah]]. W 2000 otrzymała drugi w jej karierze Cezar, tym razem w kategorii „[[Cezar dla najlepszego aktora w roli drugoplanowej|Najlepsza aktorka drugoplanowa]]” za rolę Milli Robin w ''Gwiazdkowy deser'' (''La Bûche'', 1999)<ref name="allocine"/> z [[Sabine Azéma|Sabine Azémą]] i [[Emmanuelle Béart]]. Gainsbourg regularnie występowała też w filmach reżyserowanych przez jej partnera [[Yvan Attal|Yvana Attala]], m.in. w komedii romantycznej ''[[Moja żona jest aktorką]]'' (2001) i dramacie ''[[I żyli długo i szczęśliwie]]'' (2004).
