Родилась 1 октября 1975 г. в Казани в семье инженеров Наиля Ахметовича и Марины Галимулловны Хаматовых. В детстве занималась фигурным катанием. Училась в школе с математическим уклоном.
После окончания школы Чулпан Хаматова поступила в Казанский государственный финансово-экономический институт (ныне Институт экономики и финансов Казанского федерального университета), однако вскоре забрала оттуда документы и была зачислена в Казанское театральное училище. Впоследствии продолжила обучение в Москве в Российской академии театрального искусства (ныне Российский институт театрального искусства - ГИТИС). Окончила вуз в 1997 г., выпускница курса народного артиста РСФСР Алексея Бородина.
С 1998 по 2022 г. Чулпан Хаматова являлась актрисой Московского театра "Современник". Была задействована в спектаклях: "Три товарища" по роману Эриха Марии Ремарка, "Три сестры" по пьесе Антона Чехова, "Гроза" по произведению Александра Островского, "Играем… Шиллера!" по пьесе Фридриха Шиллера "Мария Стюарт", "Мамапапасынсобака" по произведению Биляны Срблянович, "Скрытая перспектива" по пьесе Дональда Маргулиса, "Двое на качелях" по произведению Уильяма Гибсона, "Враги. История любви" по роману Исаака Башевиса Зингера.
Чулпан Хаматова сотрудничала с Государственным театром наций. Играла в спектаклях "Рассказы Шукшина", "Иванов" по произведению Антона Чехова, "Укрощение строптивой" по пьесе Уильяма Шекспира, "Фрекен Жюли" по произведению Августа Стриндберга, "Иранская конференция" по пьесе Ивана Вырыпаева. Участвовала в постановке "Горбачев", в которой исполняла роль супруги советского лидера Раисы Горбачевой. Также актриса была задействована в спектаклях Театра Луны, Московского художественного театра им. А. П. Чехова, "Гоголь-центра".
Чулпан Хаматова дебютировала в кино в фильме Вадима Абдрашитова "Время танцора" (1997). Широкую известность актрисе принесла вторая роль - Рита в драме Валерия Тодоровского "Страна глухих" (1998). Среди других работ: Лара в немецкой трагикомедии "Гуд бай, Ленин!" (2003, режиссер Вольфганг Беккер), Нелли в фильме "72 метра" по произведениям Александра Покровского (2004, режиссер Владимир Хотиненко), Лара в сериале "Доктор Живаго" по роману Бориса Пастернака (2005, Александр Прошкин), Урсула в фильме "Многоточие" по мотивам произведений Виктора Некрасова (2006, Андрей Эшпай), Лиза в драме "Синдром Петрушки" по мотивам романа Дины Рубиной (2015, Елена Хазанова), Зулейха Валиева в сериале "Зулейха открывает глаза" по роману Гузели Яхиной (2019, Егор Анашкин). Последняя роль к настоящему времени - врач и общественный деятель Елизавета Глинка в биографическом фильме Оксаны Карас "Доктор Лиза". Премьера кинокартины намечена на 22 октября 2020 г. В общей сложности Чулпан Хаматова снялась в более чем 50 фильмах и сериалах.
В 2005-2006 гг. была соведущей Игоря Кваши в телепередаче "Жди меня" (Первый канал). Победительница шоу Первого канала "Ледниковый период" (2007, с фигуристом Романом Костомаровым).
В 2006 г. Чулпан Хаматова и актриса Дина Корзун выступили соучредителями благотворительного фонда помощи детям с онкогематологическими и иными тяжелыми заболеваниями "Подари жизнь".
В 2006 г. Чулпан Хаматова стала одним из арт-директоров международного фестиваля-школы современного искусства "Территория".
В 2008-2010 гг. являлась членом Общественной палаты РФ (входила в состав комиссии по развитию благотворительности и совершенствованию законодательства о НКО).
Член Российской академии кинематографических искусств, Национальной академии кинематографических искусств и наук России.
Народная артистка РФ (2012).
Награждена орденом Дружбы (2006).
Лауреат Государственной премии РФ в области литературы и искусства 2003 и 2014 гг.
Обладательница театральных премий "Золотая маска" в номинации "Лучшая женская роль. Драма" (2004, "Мамапапасынсобака") и "Хрустальная Турандот" в категории "Лучшая женская роль" (2009, "Рассказы Шукшина"). Лауреат премии ТЭФИ в номинации "Исполнительница женской роли в телевизионном фильме/сериале" (2006, "Доктор Живаго"; 2014, "Пепел"; 2017, "Таинственная страсть"), кинопремии "Золотой орел" в категории "Лучшая женская роль второго плана" (2007, "Многоточие").
Почетный гражданин Казани (2017).
В 2018 г. была издана книга Чулпан Хаматовой и журналистки Катерины Гордеевой "Время колоть лед", посвященная темам культуры и благотворительности.
У Чулпан Хаматовой три дочери: Арина (род. 2002, от брака с актером Иваном Волковым), Ася (род. 2003, отец - артист балета Алексей Дубинин), Ия (род. 2010, отец - актер и режиссер Александр Шейн). Младший брат - актер театра и кино Шамиль Хаматов (род. 1985).