Хаматова является одним из учредителей благотворительного фонда «Подари жизнь». Была членом Общественной палаты Российской Федерации. Награждена орденом Дружбы (2006).
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 православие.
Младший брат — актёр Шамиль Хаматов (род. 1985). 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 Юнона Карева и Вадим Кешнер, поняв, что у неё «Божий дар», 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 Чулпан Хаматова начала сниматься на третьем курсе ГИТИСа — её пригласил на роль Кати в картине «Время танцора» режиссёр Вадим Абдрашитов. Роль Риты в фильме Валерия Тодоровского «Страна глухих» стала для неё поистине звездной — и зрители, и критики признали её одной из самых талантливых молодых актрис отечественного кинематографа. В числе других фильмов с участием Хаматовой — фильм Б. Худойназарова «Лунный папа», картина А. Кравчука «Рождественская мистерия», «72 метра» и «Гибель империи» В. Хотиненко, «Дети Арбата» А. Эшпая, «Доктор Живаго» Александра Прошкина. Чулпан Хаматова также много работает и в Европе (немецкие ленты «Тувалу» Ф. Хельмера, «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 возобновила карьеру драматической актрисы и вышла на сцену в Киеве, где Театр наций под управлением Евгения Миронова представлял постановку «Рассказы Шукшина». В ноябре 2010 снова танцевала в спектакле «Бедная Лиза» в Нижнем Новгороде.
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.
14 июня 2011 года в Санкт-Петербурге прошел творческий вечер Хаматовой в Академическом драматическом театре имени В. Ф. Комиссаржевской. Деньги от продажи билетов пошли на приобретение лекарств для перенесшей вторую трансплантацию костного мозга девочки Кати Ермолаевой
21 декабря 2011 состоялась премьера спектакля «Фрёкен Жюли» по актуализированной версии пьесы Стриндберга с участием Чулпан Хаматовой и Евгения Миронова в Театре Наций.
Чулпан Хаматова известна своей общественной деятельностью, заключающейся в привлечении внимания общества к проблемам детей с онкологическими заболеваниями. 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 млн рублей.
В 2012 году Хаматова приняла участие в предвыборной кампании кандидата в президенты РФ Путина в качестве героя одного из агитационных роликов «Почему я голосую за Путина?». При этом она не вошла в список доверенных лиц кандидата, и существуют предположения, согласно которым участие в съёмках было вынужденным следствием давления, угроз затруднить работу фонда; от самой актрисы официальных комментариев насчёт добровольности выступления не поступало, а по словам пресс-секретаря Путина Дмитрия Пескова, во время посещения московского онкоцентра Путиным она сказала, что «…когда она что-то говорит в поддержку Путина, то имеет в виду чистосердечную поддержку». Впоследствии, в интервью журналисту Би-би-си, заявила о том, что её выступление в предвыборной кампании было добровольным; уточнила, что «все слухи по поводу того, что меня пытали и принуждали, и прикладывали утюг к груди, это, конечно, не соответствует действительности» - и добавила буквально следующее: «Я к политике не имею отношения. Я её не понимаю, я в ней не могу разобраться».
Получила государственное звание Народной артистки России. Указ о присвоении звания подписал 21 марта 2012 года президент РФ Дмитрий Медведев.
Весной 2008 года Чулпан Хаматова участвовала в фото-арт-проекте «ЧЕХОВ IN VOGUE» (или «Играем Чехова»), в котором фотографом выступила Ольга Лавренкова.
Осенью 2008 года приняла участие в масштабном фотопроекте Алексея Никишина «В роли себя».