Comme Jane Birkin et Jacqueline Bisset, Charlotte Rampling fait ses débuts à l'écran dans le film-phare du « Swinging London », Le Knack... et comment l'avoir (1965), puis tourne dans des comédies à succès tout en prenant des cours d'art dramatique à la Royal Court School avant de s'installer en Italie.

Là-bas, elle y fait sa première rencontre marquante, celle de Luchino Visconti qui la dirige dans Les Damnés (1969). Elle passe ensuite à l'univers de la science-fiction avec Zardoz (1974) de John Boorman, à celui du sadomasochisme avec Portier de nuit (1974) de Liliana Cavani, film qui la révèle au grand public où elle incarne une rescapée des camps nazis qui entretient une étrange relation avec son ancien bourreau (interprétépar Dirk Bogarde). Se plaisant à explorer à travers ses rôles les zones les plus troubles de l'âme humaine, elle joue devant la caméra d'Oshima le rôle d'une femme qui s'éprend d'un chimpanzé dans Max mon amour (1985).

Elle joue également aux côtés de Robert Mitchum dans le film policier Adieu ma jolie (1975) de Dick Richards, dans la comédie Stardust Memories de Woody Allen (1980), et joue les femmes fatales sous la direction de Sidney Lumet dans Le Verdict (1982) face à Paul Newman.

Vivant en France à compter de la fin des années 1970, elle tourne notamment avec Yves Boisset dans Un taxi mauve, Claude Lelouch avec Viva la vie ! et Jacques Deray dans le polar On ne meurt que deux fois (1985). Elle livre en dans les année 2000 des prestations remarquées notamment dans Sous le sable, portrait d'une femme désemparée après la disparition de son mari, signé François Ozon, cinéaste qu'elle retrouve ensuite pour Swimming Pool, où elle donne la réplique à la jeune Ludivine Sagnier. 

En 2001, elle reçoit un césar d'honneur qui récompense l'ensemble de sa carrière. Plus récemment, en 2025, Charlotte Rampling s'ajoute au casting de Deux pianos d’Arnaud Desplechin aux côtés de François Civil et Nadia Tereszkiewicz.