2001年，担任戛纳国际电影节评审团的评委；同年，主演由帕特利斯·勒孔特执导的爱情电影《菲力斯与罗拉》；11月，与伊万·阿达勒、特伦斯·斯坦普联合主演的爱情喜剧电影《人人爱上我老婆》上映。2003年，第一次出现在好莱坞电影里，在犯罪电影《21克》中饰演西恩·潘的妻子。

2004年，与伊万·阿达勒共同主演爱情电影《他们结婚了还有很多孩子》。2005年，与丹尼尔·奥特伊、纳塔莉·贝伊联合主演喜剧电影《留下还是离开》；同年，与洛朗·吕卡合作主演悬疑惊悚电影《旅鼠》。

2006年，与盖尔·加西亚·贝纳尔共同主演爱情喜剧电影《科学睡眠》，在片中饰演笑容温暖的邻居女孩斯蒂芬尼；同年，与温琴佐·阿马托、弗兰切斯克·卡西萨联袂主演奇幻冒险电影《金色大门》；11月，与阿兰·夏巴共同主演的爱情电影《借你的手儿牵》上映，她凭借该片提名第32届法国电影凯撒奖最佳女演员奖。

2007年，她又重返乐坛，推出了个人第二张专辑《5：55》；同年，与凯特·布兰切特、本·卫肖联合出演传记电影《我不在那儿》；3月，由其主演的电影《科学睡眠：B版》上映。2008年，主演剧情短片《My Heart Laid Bare》。

2009年1月26日，个人第三张专辑《IRM》在北美正式发行；5月20日，与威廉·达福共同主演惊悚电影《反基督者》，在片中饰演久久沉浸痛失爱子悲痛中无法自拔的妻子，她凭借该片提名第22届欧洲电影奖最佳女演员奖，获得第62届戛纳国际电影节最佳女演员；9月5日，与罗曼·杜里斯搭档主演的剧情电影《被迫害妄想》在意大利威尼斯国际电影节上映；同年，由其参演的剧情电影《终点之城》上映。

2010年5月23日，与阿登·杨合作主演的爱情电影《树》上映，她在片中饰演4个孩子的母亲道恩，凭借该片提名第36届法国电影凯撒奖最佳女演员奖。2011年，与克斯汀·邓斯特联袂主演的心理灾难电影《忧郁症》上映，她在片中饰演贾斯汀成熟且过分思虑的姐姐克莱尔，她凭借该片提名第24届欧洲电影奖最佳女演员奖、第38届土星奖最佳女配角奖。

2012年，与弗朗索瓦·克鲁塞、伊万·阿达勒联合主演喜剧电影《请勿打扰》；9月，与皮特·多赫提共同主演的剧情电影《一个世纪儿的忏悔》上映。

2014年，与斯特兰·斯卡斯加德等共同主演剧情电影《女性瘾者：第一部》，她凭借该片入围第27届欧洲电影奖最佳女演员奖；1月，与文森特·拉科斯特合作主演的喜剧电影《女儿国的杰基》上映；9月，与伯努瓦·波尔沃德共同主演爱情电影《三心两意》上映，她在片中饰演玩世不恭的法国外省小镇姑娘西尔维；12月，由其主演的电影《女性瘾者：第二部》上映；同年，与伊万·阿达勒搭档主演剧情电影《他的爱人》。

2016年，与金·凯瑞、马尔顿·索克斯联合主演惊悚犯罪电影《真实犯罪》。2017年5月，与马修·阿马立克、玛丽昂·歌迪亚等联合出演的爱情惊悚电影《伊斯梅尔的幽魂》上映，她在片中饰演害羞又有些固执的天文学家西尔维娅；同年，出演由托马斯·阿尔弗莱德森执导的悬疑惊悚电影《雪人》；12月，与皮埃尔·尼内搭档主演爱情传记电影《童年的许诺》，该片改编自罗曼·加里的自传小说《我答应》。

2018年，与彼特·丁拉基、艾丽·范宁等联合出演科幻电影《此刻只有你共我》。2019年，与碧翠斯·黛尔、卡尔·格洛斯曼联合主演惊悚电影《永恒之光》；同年，与伊万·阿达勒合作主演喜剧电影《我的笨狗》。

2020年，由其参演的电视剧《百分之十第四季》首播。2021年6月，与尼尔斯·施内德、朱丽亚·罗伊联袂主演剧情电影《苏珊娜·安德勒》；7月，自编自导的纪录片《夏洛特眼中的简》上映；同年，与蒂姆·罗斯共同主演剧情电影《日落》。

2022年10月28日，主演的悬疑惊悚片《淡蓝之眸》发布先导预告，将于12月23日北美有限影院上映，2023年1月6日上线网飞。

夏洛特·甘斯布出生于英国伦敦的音乐家庭，母亲是英国女演员简·柏金，父亲是法国歌手和演员赛日·甘斯布。

夏洛特·甘斯布是一个特别需要“用事实说话”的女演员，可以把她说得天花乱坠：美丽、有气质、冷艳等，这些形容词在她的作品就是九牛一毛，担得起沉重（《世界电影之窗》评）。

在美女众多的法国影坛，夏洛特·甘斯布容貌平凡，甚至有些沧桑，有些憔悴，但夏洛特·甘斯布不仅仅是一个演员，她代表了一种气质，一类精神，她散发出一种的独特气质，受到许多导演的青睐，更赢得了广大法国影迷的喜爱（国际在线评）。

在电影《简·爱》中，法国女演员夏洛特·甘斯伯布塑造的简·爱别具风味。除了并不矮小，夏洛特·甘斯布与简·爱极为神似。她有着非常优美的颈部和背部线条，尖尖的下巴，嘴部轮廓极为肃穆，看上去安静文雅，却有着叛逆而又不卑不亢的神情。夏洛特展现出了简理智而热情、敏感又勇敢的性格特征。唯一遗憾的是，她的“情深意重”并没有体现出来（上海《青年报》评）。