 | Nous, les Leroy (2024) als Sandrine Leroy |
 | Tout sauf l’ennui (2023) als Charlotte Gainsbourg |
 | La Vie pour de vrai (2023) als Roxane |
 | The Pale Blue Eye (2022) als Patsy |
 | The Almond and the Seahorse (2022) als Toni |
 | Je connais personne (2022) als Self |
 | Les Passagers de la nuit (2022) als Elisabeth |
 | Jane par Charlotte (2022) als Self |
 | Les Choses humaines (2021) als Claire Farel |
 | Sundown (2021) als Alice Bennett |
 | Suzanna Andler (2021) als Suzanna |
 | French Water (2021) |
 | April 2020 Paris (2020) als Frances |
 | Lux Æterna (2020) als Charlotte |
 | Le festival des festivals (2020) als Self |
 | Mon chien stupide (2019) als Cécile Mohen |
 | Haut les filles (2019) als Self |
 | Le cri du rhinocéros (2018) als Self |
 | I Think We're Alone Now (2018) als Violet |
 | La Promesse de l'aube (2017) als Nina Kacew |
 | The Snowman (2017) als Rakel |
 | Les Fantômes d'Ismaël (2017) als Sylvia |
 | Dark Crimes (2016) als Kasia |
 | Independence Day: Resurgence (2016) als Dr. Catherine Marceaux |
 | Another Day: The Making of 'Independence Day: Resurgence' (2016) als Self |
 | Ils sont partout (2016) als Mathilde |
 | Norman: The Moderate Rise and Tragic Fall of a New York Fixer (2016) als Alex Green |
 | Every Thing Will Be Fine (2015) als Kate |
 | Les Enfoirés - Les Enfoirés en chœur de 1985 à aujourd'hui (2014) |
 | Samba (2014) als Alice |
 | 3 Cœurs (2014) als Sylvie Berger |
 | Incompresa (2014) als Madre |
 | Son épouse (2014) als Catherine de Rosa |
 | Jacky au royaume des filles (2014) als La colonelle Bubunne XVII |
 | Nymphomaniac: Vol. II (2013) als Joe |
 | Nymphomaniac: Vol. I (2013) als Joe |
 | Les Enfants de la Pop 80's (2012) als Self (archive footage) |
 | Do Not Disturb (2012) als Lilly |
 | Confession of a Child of the Century (2012) als Brigitte |
 | Melancholia (2011) als Claire |
 | Mes images privées de Serge (2011) als Self |
 | The Tree (2010) als Dawn O'Neil |
 | Persécution (2009) als Sonia |
 | Antichrist (2009) als She |
 | The City of Your Final Destination (2009) als Arden Langdon |
 | Etienne Daho : An Evening with Daho (2008) als Self |
 | I'm Not There (2007) als Claire |
 | Prête-moi ta main (2006) als Emma |
 | Nuovomondo (2006) als Lucy Reed |
 | La Science des rêves (2006) als Stéphanie |
 | Lemming (2005) als Bénédicte Getty |
 | L'un reste... l'autre part (2005) als Judith |
 | Ils se marièrent et eurent beaucoup d'enfants (2004) als Gabrielle |
 | 21 Grams (2003) als Mary Rivers |
 | La merveilleuse odyssée de l'idiot Toboggan (2002) |
 | Les Enfoirés 2001 - L'odyssée des Enfoirés (2001) |
 | Félix et Lola (2001) als Lola |
 | Ma femme est une actrice (2001) als Charlotte |
 | Passionnément (2000) als Alice Almeida |
 | La Bûche (1999) als Milla Robin |
 | The Intruder (1999) als Catherine Girard |
 | Love, etc. (1996) als Marie |
 | Anna Oz (1996) als Anna Oz |
 | Jane Eyre (1996) als Jane Eyre |
 | Grosse fatigue (1994) als Charlotte Gainsbourg |
 | Les Enfoirés 1994 - Les Enfoirés au Grand Rex (1994) |
 | The Cement Garden (1993) als Julie |
 | Amoureuse (1992) als Marie |
 | Contre l’oubli (1991) als Self |
 | Aux yeux du monde (1991) als Juliette Mangin |
 | Merci la vie (1991) als Camille Pelleveau |
 | Il sole anche di notte (1990) als Matilda |
 | La Petite Voleuse (1988) als Janine Castang |
 | Kung-Fu Master! (1988) als Lucy |
 | Jane B. par Agnès V. (1988) als J's Daughter |
 | Charlotte for Ever (1986) als Charlotte |
 | L'Effrontée (1985) als Charlotte Castang |
 | La Tentation d'Isabelle (1985) als The child |
 | Paroles et musique (1984) als Charlotte Marker |
 | Charlotte etc. als Self |
 | An Ocean Apart als Simone de Beauvoir |
| | Belle als Cléa |
| | Alpha Gang |
| | Jane par Charlotte Director |
| | Jane par Charlotte Producer |
| | Jane par Charlotte Screenplay |
 | The House That Jack Built Thanks |
 | Jane Birkin... Mother of All Babes Thanks |