Originaire du comté de Durham où elle passe toute son enfance, Charlotte Riley étudie de la primaire au lycée à l'école Teesside. Diplômée de l'école de théâtre Lamba en 2007, elle possède aussi un diplôme en linguistique de l'université de Durham qu'elle obtient en 2003 après avoir joué dans plusieurs pièces et musicals dont une pour laquelle elle est récompensée en 2004, "Shaking Cecilia".

Elle commence sa carrière d'actrice à 26 ans, avec de petits rôles dans diverses séries, notamment dans Inspecteur Gently. Elle tourne pour la première fois dans un long-métrage en 2008, Un Mariage de rêve où elle joue aux côtés de Jessica Biel et Kristin Scott Thomas. C'est en 2009 qu'elle rencontre son futur compagnon Tom Hardy avec qui elle partage l'affiche du téléfilm Les Hauts de Hurlevent. Ils se retrouvent par la suite dans la mini-série The Take. Fiancés en 2010, ils rompent l'année suivante mais restent en bons termes. 

Obtenant des rôles plus notables dans des séries telles que DCI Banks et Un Monde sans fin, Riley faillit retrouver Hardy en tant que Catwoman de The Dark Knight Rises, mais le rôle échoue finalement à Anne Hathaway. Elle est cependant nominée cette même année 2012 au festival britannique de l'horreur pour sa prestation dans Entity, de Steve Stone. Après un petit rôle récurrent dans The Town, elle est prise pour jouer dans Edge of Tomorrow porté par Tom Cruise et Emily Blunt.

Claire Lefranc