Charlotte Le Bon grandit à Montréal. Sa mère et son beau-père, Brigitte Paquette et Frank Schorpion, sont acteurs. A l'âge de seize ans, Charlotte commence le mannequinat. Elle devient notamment l'égérie sexy d'un spot publicitaire pour le parfum Si Lolita. Très polyvalente, elle pratique la photographie et est également illustratrice.

La jeune femme participe à un premier court métrage canadien, Le Goût du temps, en 2007, mais ce n'est qu'après son passage par l'émission Le Grand Journal sur Canal +, comme Miss Météo et chroniqueuse du Petit Journal, qu'elle entame réellement une carrière d'actrice. Le premier long métrage dans lequel elle tourne est Astérix et Obélix : au service de Sa Majesté, grosse production où elle donne la réplique à Edouard Baer, Gérard Depardieu et Guillaume Gallienne.

Restant dans le registre comique, elle obtient le rôle principal de La Stratégie de la poussette, au côté d'un autre jeune espoir, le séduisant Raphaël Personnaz. Très en vogue, elle rejoint ensuite le casting de L'Ecume des jours de Michel Gondry, adaptation stylisée du roman de Boris Vian. Charlotte y partage l'affiche avec Audrey Tautou, Romain Duris et Omar Sy.

Variant les projets, Charlotte Le Bon touche aussi bien à la comédie (Le Grand Méchant Loup, Le Secret des banquises) qu'au biopic (Yves Saint-Laurent, The Walk – Rêver Plus Haut) en passant par l'action (Bastille Day) et le thriller sulfureux (Iris).