Чулпан родилась в семье инженеров Наиля Ахметовича Хаматова и Марины Галимулловны Хаматовой. По-татарски имя Чулпан означает «звезда рассвета». По национальности – татарка, однако татарским языком не владеет. В юности приняла христианство.

В детстве занималась фигурным катанием, а с восьмого класса училась в математической школе при Казанском университете. Подала документы в Казанский государственный финансово-экономический институт и, получив «отлично» на школьном выпускном экзамене по математике, была автоматически зачислена в этот ВУЗ. Но не проучилась там ни дня, поскольку летом забрала документы и поступила в Казанское театральное училище. Преподаватели посоветовали и посодействовали Чулпан продолжить обучение в Москве, и она поступила в ГИТИС, на курс Алексея Бородина.

Чулпан Хаматова выступала на сценах нескольких московских театров: РАМТ (Дуня Раскольникова в «Преступлении и наказании» и Анна Франк в «Дневнике Анны Франк»), Театра Луны, Театра Антона Чехова (Катя в «Позе эмигранта»), в Открытом театре Юлия Малакянца («Сильвия»).

В 1998 году приглашена в труппу московского театра «Современник». Дебют состоялся в роли Патриции Хольман («Три товарища» Эриха Марии Ремарка). Там же получила роли в спектаклях «Три сестры» (Ирина), «Мамапапасынсобака» (Андрия), «Гроза» (Катерина), «Голая пионерка» (Маша Мухина) и «Антоний & Клеопатра» (Клеопатра), а также роль Маши в новом варианте пьесы «Три сестры». В 2008 году Чулпан приняла участие в спектакле Театра Наций «Рассказы Шукшина» (режиссёр Алвис Херманис), где сыграла в девяти из 10 рассказов.

В кино Хаматова начала сниматься на третьем курсе ГИТИСа – Вадим Абдрашитов пригласил её на роль Кати в картине «Время танцора» (за этот фильм молодая актриса была номинирована на премию «Ника» за лучшую женскую роль). Роль Риты в фильме Валерия Тодоровского «Страна глухих» стала для неё поистине звёздной – и зрители, и критики признали её одной из самых талантливых молодых актрис отечественного кинематографа. В числе других фильмов с участием Хаматовой – фильм Бахтияра Худойназарова «Лунный папа» (вторая номинация на премию «Ника» за лучшую женскую роль), картина А. Кравчука «Рождественская мистерия», «72 метра» и «Гибель империи» Владимира Хотиненко, «Дети Арбата» Андрея Эшпая, «Доктор Живаго» Александра Прошкина. Ещё дважды на «Нику» актриса была номинирована за роли в фильмах Алексея Германа-младшего «Гарпастум» и «Бумажный солдат». Чулпан Хаматова также много работает и в Европе (немецкие ленты «Тувалу» Ф. Хёльмера, «Англия» А. фон Бориса, «Гуд бай, Ленин!», «Виктор Фогель – король рекламы», австрийская «Сукин сын»).

В 2007 году в паре с фигуристом Романом Костомаровым участвовала и стала победительницей в проекте Первого канала «Ледниковый период».

В 2000 году была ведущей в ток-сериале «Другая жизнь», а также соведущей в программе «Взгляд», в 2005 году – соведущей в телепередаче «Жди меня».

С марта 2009 года Чулпан Хаматова играет в хореографической новелле «Бедная Лиза» по повести Н. Карамзина в постановке Аллы Сигаловой на музыку Леонида Десятникова. Критики отметили работу актрисы, которая ничем не уступает профессиональным танцорам.

Вскоре после рождения третьей дочери в 2010 году возобновила карьеру драматической актрисы и вышла на сцену в Киеве, где Театр наций под управлением Евгения Миронова представлял постановку «Рассказы Шукшина».

В феврале 2011 года в «Современнике» состоялась премьера спектакля «Враги: история любви» (реж. Евгений Арье, по одноимённому роману Исаака Башевиса Зингера), где Чулпан сыграла одну из главных ролей.

21 декабря 2011 года состоялась премьера спектакля «Фрёкен Жюли» по актуализированной версии пьесы Стриндберга с участием Чулпан Хаматовой и Евгения Миронова в Театре Наций.

В 2014 году на Олимпиаде в Сочи была одной из тех, кто нёс флаг Олимпиады на церемонии открытия.

В рейтинге «100 самых влиятельных женщин России» журнала «Огонёк», опубликованном в марте 2014 года, заняла 14-е место.

Чулпан Хаматова известна своей общественной деятельностью. Вместе с актрисой Диной Корзун в 2005 году организовала на сцене «Современника» благотворительный концерт «Подари мне жизнь», чтобы помочь детям с гематологическими заболеваниями. В 2006 году Чулпан и Дина стали соучредителями благотворительного фонда «Подари жизнь», помогающего детям, страдающим от онкологических и онкогематологических заболеваний. К лету 2009 года фонд собрал и направил на лечение этих заболеваний более 500 миллионов рублей.

14 июня 2011 года в Санкт-Петербурге прошёл творческий вечер Хаматовой в Академическом драматическом театре имени В. Ф. Комиссаржевской. Деньги от продажи билетов пошли на приобретение лекарств для перенёсшей вторую трансплантацию костного мозга девочки Кати Ермолаевой.

В 2013 году приняла участие в благотворительном мультипликационном проекте «Летающие звери». В нём также участвовали Вячеслав Бутусов, Андрей Макаревич и Сергей Маковецкий. Прибыль от товаров с изображениями персонажей этого мультфильма идёт на лечение детей.

Народная артистка России. Указ о присвоении звания подписал 21 марта 2012 года Президент России Дмитрий Медведев.

Чулпан была несколько раз замужем.

Первый муж (период 1995-2002) – Иван Волков, актёр, сын актрисы Ольги Волковой и актёра Николая Волкова, дочь Арина (род. 2002).

Гражданский муж – артист балета Алексей Дубинин (род. 1965), выпускник Московского художественного училища. С 1992 года живёт и работает в Германии, дочь Ася (род. 2003).

Второй муж – актёр и режиссёр Александр Шейн (род. 27 сентября 1976), дочь Ия (род. 2010).

Сегодня Народная артистка России, лауреат различных общественных, театральных и кинематографических премий, кавалер ордена Дружбы, Чулпан Хаматова продолжает активную общественную и творческую деятельность, играет на сценах различных театров, снимается в кино и рекламе, участвует в телевизионных проектах.
Президент России Владимир Путин поздравил актрису театра и кино Чулпан Хаматову с днем рождения, отметив ее блистательное мастерство и многогранную общественную деятельность, сообщается на сайте Кремля.

"Яркая, самобытная, творчески востребованная актриса – Вы по праву пользуетесь искренней любовью зрителей. Ваши работы в кино и на сцене легендарного "Современника" покоряют блистательным мастерством, художественной выразительностью и глубиной", – говорится в поздравительной телеграмме.

Президент отметил многогранную общественную деятельность Хаматовой, ее участие в значимых социальных, благотворительных проектах.

Путин пожелал актрисе успехов, здоровья и всего самого доброго.