Riley besuchte die private Teesside High School. Danach studierte sie von 2000 bis 2003 an der University of Durham und wirkte währenddessen an der Durham Revue und in einigen Theaterstücken und Musicals mit. Die Britin schloss das College in den Fächern Englisch und Linguistik ab. Von 2005 bis 2007 besuchte sie die London Academy of Music and Dramatic Art.
Seit 2007 übernahm Riley Rollen in Fernsehfilmen, Serien und Kinofilmen. In Easy Virtue – Eine unmoralische Ehefrau (2008) verkörperte sie Sarah Hurst, in Die Tore der Welt (2012) übernahm sie die weibliche Hauptrolle der Caris.
Charlotte Riley ist seit dem Jahr 2014 mit dem Schauspieler Tom Hardy verheiratet. Das Paar bekam im Oktober 2015 sein erstes gemeinsames Kind. Ende 2018 folgte ihr zweites Kind.[1]