Шарлотта родилась в шато Амбуаз 23 октября 1516 года и была вторым ребёнком и второй дочерью короля Франции Франциска I и его первой жены Клод Французской. Она была любимицей своего отца. Маленькая принцесса внешне сильно отличалась от остальных детей королевской четы: у Шарлотты были зеленовато-голубые глаза и волосы ярко рыжего цвета; такой же цвет волос был и у бабушки девочки по матери — Анны Бретонской. До марта 1519 года маленькая Шарлотта переехала из Амбуаза в Сен-Жерменский дворец.
Шарлотта была нежным, хрупким ребёнком. В возрасте семи лет она заболела корью. Единственным человеком, присматривавшим за девочкой во время болезни, была её тётка Маргарита АнгулемскаяШаблон:Sfn; мать девочки умерла двумя месяцами ранее, бабушка была тяжело больна, а отец ушёл на войну. Позднее Франциск I был взят в плен, так что на смертном одре маленькая принцесса оказалась фактически сиротой. Кажется, принцесса была близка с тёткой, которая была убита горем, когда её «малышка» умерла в сентябре 1524 годаШаблон:Sfn.
После смерти старшей сестры Луизы принцесса была обручена с Карлом I Испанским, однако смерть девочки вновь разрушила союз французского короля с КарломШаблон:Sfn.
