Charlotte Le Bon a grandi au Québec avant de s’installer à Paris, où elle a débuté sa carrière d’actrice. Elle a travaillé avec des réalisateurs tels que Laurent Tirard et Jalil Lespert, puis a collaboré aux États-Unis avec Lasse Hallström, Robert Zemeckis et Sean Ellis. Charlotte est également artiste visuelle : elle explore le surréalisme à travers la peinture, le dessin et la lithographie.
Passionnée de cinéma de genre, elle a écrit et réalisé Judith Hôtel, présenté à Cannes en 2018. Son premier long-métrage, Falcon Lake, a été sélectionné à la Quinzaine des Réalisateurs à Cannes en 2022, où il a reçu un accueil critique élogieux et de nombreuses distinctions.
En 2024, elle a incarné la figure iconique de Niki de Saint-Phalle dans le biopic Niki, réalisé par Céline Sallette, sélectionné dans la section officielle Un Certain Regard du Festival de Cannes. Elle fait également partie de la distribution de la série à succès The White Lotus, créée par Mike White.