Ancienne élève de l'École normale supérieure (L87), agrégée d'histoire, Charlotte de Castelnau a été maître de conférences à Nanterre Université entre 1999 et 2014. Elle a été membre de l'École française de Rome en 2004-2005 et professeure invitée trois semestres à l'Universidade Federal Fluminense (Rio de Janeiro, Brésil) en 2010 et 2011. Professeure à l'Université Paris Diderot de 2014 à 2022, elle a rejoint Sorbonne Université et le CRM à la rentrée 2022.

Elle a soutenu une thèse en 1999 sous la direction de Bernard Vincent, publiée en 2000, Les Ouvriers d'une Vigne Stérile. Les jésuites et la conversion des Indiens au Brésil 1580-1620, Fondation Gulbenkian, Paris, traduit au Brésil en 2006.

Son HDR, soutenue à Sorbonne Université en 2013 (garant Alain Tallon), a été publié en 2019, Un Catholicisme colonial. Le Mariage des Indiens et des esclaves au Brésil XVI-XVIIIe siècle, Paris, PUF.

Son livre Páscoa et des deux maris une esclave entre Angola Brésil et Portugal au XVIIe siècle, PUF, Paris, 2019, a reçu en 2020 le Prix Lycéen du Livre d'histoire des Rendez-Vous de l'Histoire de Blois et le Prix du Sénat du Livre d'histoire. Il a été traduit au Brésil (2020) et au Portugal (2022).