Charlize Theron 1975.augusztus 7-én született Benoniban, Dél-Afrikában, Gerda és Charles Theron egyetlen gyermekeként. Anyanyelve az afrikaans, angolul csak később tanult meg. Vezetéknevét afrikaans nyelven "Tronn"-nak ejtik, de a színésznő inkább az angolos alakot használja. Tizenhárom évesen bentlakásos iskolába került. Tizenöt éves volt, mikor anyja önvédelemből lelőtte erőszakos és alkoholista apját, aki rájuk támadt. Gerda ellen nem emeltek vádat, így átvehette a kis építési vállalkozást, amit Charles vezetett.
Miután megnyert egy helyi szépségversenyt, egyéves modellszerződéssel Milánóba utazott. A szerződés letelte után New Yorkba ment, ahol a Joffrey Balett Iskolában tanult, azonban egy térdsérülés miatt le kellett mondania modellkarrierjéről.
Színészi karrierje állítólag úgy kezdődött, hogy egy bankban nem akarták beváltani az egyik csekkjét, amiért hatalmas jelenetet rendezett, aminek egy tehetségkutató ügynök is tanúja volt, akitől rögtön kapott egy névjegykártyát. A források ellentmondanak abban, hogy Theron mennyire élt a lehetőséggel, egyesek szerint rövid ideig együtt dolgozott a managerrel, mások szerint mégcsak fel sem hívta.
Első filmszerepét statisztaként játszotta egy kis költségvetésű filmben, ami csak kazettán jelent meg. A kilencvenes évek második felében kezdett felfelé ívelni filmes karrierje, több főszerepet is kapott. Az igazi áttörést a 2003-as A rém című, Alieen Wournoust sorozatgyilkos életét feldolgozó film hozta meg számára, melynek főszerepéért Oscar-és Golden Globe-díjat kapott; ezzel ő lett az első dél-afrikai származású színész, aki Oscar-díjat nyert. A színésznő a szerep kedvéért 14kg-t hízott, arcát sminkkel és arcprotézisekkel torzították el a forgatáson. Megérdemelt Oscar-díját február 29-én, az akkorra kivégzett Alieen Wournoust születésnapján vette át.
Filmszerepei mellett 2004-ben szerződtették a Dior reklámarcának. 2005.szeptember 30-án avatták fel bronzcsillagát a Hollywood-i hírességek sétányán. A Kőkemény Minnesota című filmjéért 2005-ben Oscar- és Golden Globe-díjra jelölték. 2005. októberében anyja, Gerda újra férjhez ment Kaliforniában. Elterjedt, hogy Charlize és akkori barátja, Stuart Townsend esküvője lesz, ezért az elárasztották a paparazzik.
2008-ban együtt szerepelt Will Smith-szel a Hancock című akció-vígjátékban. Az Alvajárók és A megváltás című 2008-as filmek munkálataiban színészként és producerként is részt vett. 2009-ben Viggo Mortensen feleségét alakította Az út című posztapokaliptikus drámában. Vajúdási jeleneti felvételénél állítólag megsérültek a hangszálai. Néhány év kihagyás után, mely során főleg mellékszerepeket vállalt és szinkronizált (Astro Boy - 2009), 2012-ben a Prometheus és a Hófehér és a vadász című mozikkal tért vissza a vászonra.
2015-ben a Mad Max - A harag útjában Furiosát alakította, amelyért nagyon pozitív kritikákat kapott, egyesek szerint ez volt a legjobb alakítása A rém óta. A szép színésznő Furiosa szerepéért is hajlandó volt mindent megtenni - fél karral és kopaszon látható a filmben.
A 2011-es Pszichoszingliben és a 2015-ös Sötét helyekben ismét producerként is részt vállalt. 2016-ban akkori párja, Sean Penn kérésére szerepelt Javier Bhardem oldalán Az utolsó próba című drámában. A film bemutatóján Theron és a filmet rendező Penn már nem alkottak egy párt.
A Kubo és a varázshurok című rajzfilmhez ismét a hangját adta 2016-ban. 2017-ben szerepelt a Halálos iramban 8-ban és az Atomszőkében, melyeben James McAvoy és Sofia Boutella oldalán láthattuk. A filmnek egyben producere is volt.
2018-ban a Gringo és Pszichoanyu című filmekben játszott, utóbbi alkotás kedvéért ismét meghízott, mintegy 20kg-t szedett fel. A 2019-es vígjáték, a Csekély esély után egy újabb komolyabb szerep következett a Botrányban, alakítását a legjobb női főszereplő kategóriában Oscar-díjra jelölték. 2020-ban az ő főszereplésével debütált a Netflixen A halhatatlan gárda című képregény adaptáció, mely hatalmas sikert aratott a nézettség tekintetében, egy évvel később pedig visszatért a Halálos iramban 9. részében.

A színésznő 1998-2001 között Stephen Jenkis párja volt. A szintén színész Stuart Townsenddel a Csapdában és a Nézz az égre! című filmekben szerepelt együtt, egy párt alkottak 2001 és 2010 között. Házasságot nem kötöttek, Theron egyik nyilatkozata szerint addig nem tervezték, míg az azonos neműek házasságát nem engedélyezik.