Отец Шарлотты Рэмплинг, Годфри Рэмплинг, — британский офицер, завоевавший на Летних Олимпийских играх 1936 года золотую медаль в эстафетном беге 4 х 400 м.
Получив образование в учебных заведениях Франции и Англии, Шарлотта Рэмплинг начала карьеру модели. Бросив модельный бизнес, Рэмплинг училась в Лондонской актёрской школе «Роял корт». Первой киноролью Рэмплинг стала эпизодическая роль водной лыжницы в комедии Ричарда Лестера «Сноровка» 1965 г. Годом позже Рэмплинг получила более серьёзную роль в комедии «Georgy Girl» с Линн Редгрейв. Эта роль сделала её популярной в Великобритании и обеспечила новые предложений ролей.
Однако на родине Рэмплинг в 1960-е гг. снимались преимущественно лёгкие комедии. В поисках более интересной работы Шарлотта Рэмплинг обратила своё внимание на итальянский кинематограф и вскоре получила роль в политической драме Лукино Висконти 1969 г. «Гибель богов». До середины 1970-х гг. Рэмплинг занята в итальянском кино, среди её ролей — главная роль в фильме Лилианы Кавани «Ночной портье», повествующем о садо-мазохистской связи между бывшим охранником концентрационного лагеря (роль Дирка Богарда) и заключённой концлагеря. Фильм был запрещён в Италии и вызвал дебаты в среде европейских и американских кинокритиков.
Роль в этом фильме значительно продвинула творческую карьеру Шарлотты Рэмплинг, заинтересовав таких режиссёров, как Вуди Аллен, Сидни Люмет и Алан Паркер. В 1980 г. Рэмплинг получает главную женскую роль в фильме Вуди Аллена «Воспоминания о „Звездной пыли“». Шарлотте Рэмплинг стали предлагать серьёзные и сложные женские роли, и в 1980-е гг. она работает в Европе. В 1986 г. актриса снимается в фильме «Макс, моя любовь», в котором играет женщину, вступившую в порочную связь с шимпанзе.
В середине 1970-х гг. Шарлотта Рэмплинг переезжает жить во Францию, а в 1978 г. выходит замуж за музыканта Жана-Мишеля Жарра. Брак с ним распался в 1996 г.
В 2000 г. Шарлотта Рэмплинг снялась в главной роли в драме Франсуа Озона «Под песком», который принёс ей номинацию на французскую кинопремию Сезар и Европейскую кинопремию за главную женскую роль.
За свои заслуги в развитии культурных связей между Францией и Великобританией в конце 2000 г. Шарлотта Рэмплинг была награждена Орденом Британской империи.
В 2002 г. вышел альбом песен Мишеля Ривгоша и Жана-Пьера Стора «comme une femme», исполняемых Шарлоттой Рэмплинг на французском и английском языке под аккомпанемент пианиста Клода Рожена.
В 2003 г. выходит новый фильм Франсуа Озона с участием Шарлотты Рэмплинг — «Бассейн». Рэмплинг опять выдвигалась на премию «Сезар» и «Европейскую кинопремию» за лучшую женскую роль и получила последнюю.
В том же году Рэмплинг вернулась к театральной карьере, выступив в спектакле парижского Театра Эдуарда VII «Petits Crimes Conjugaux». В следующем году критики восторженно отзываются об успехе Рэмплинг в комедии Пьера Мариво «The False Servant». В 2006 г. Шарлотта Рэмплинг возглавляла жюри 56 Международного кинофестиваля в Берлине.