Uma nació en Boston, Massachusetts. Es hija de un profesor de cultura budista indotibetana, Robert F. A. Thurman, (fue el primer occidental en convertirse en monje budista tibetano) y de una modelo sueca, Nena, que tuvo entre sus amistades a Salvador Dalí, y que estuvo casada anteriormente con Timothy Leary (padrino de la propia Uma Thurman). Uma Thurman creció en el seno de una familia de grandes inquietudes culturales y espirituales. Tiene tres hermanos más llamados Ganden, Dechen y Mipam. Influenciada por su padre, Uma es seguidora de la filosofía budista desde muy niña.

Antes de actriz fue modelo en la ciudad de Nueva York, gran urbe a la que se trasladó cuando cumplio los 15 años. A finales de los años 80 conseguiría introducirse en el mundo del cine.

Su primera aparición en la gran pantalla fue en "Kiss daddy goodnight" (1988), dirigida por Peter Ily Huemer, un filme con Steve Buscemi en el que daba vida a Laura, una adolescente que por las noches se vestía como una vampiresa y vivía en el lado salvaje de la vida. Su siguiente papel fue en "Las aventuras del Barón de Munchausen" (1988) dirigida por Terry Gilliam, una espectacular adaptación del clásico de Rudolph Erich Raspe, en la que hacía una inolvidable aparición como Venus desnuda emergiendo de su concha. Menos brillante sería su aparición en la comedia deportiva "Johnny be good" (1988), dirigida por Bud S. Smith, con Robert Downey Jr., en la cual interpretaba un papel más decorativo que otra cosa.

Su verdadero descubrimiento de cara al gran público se produjo con su papel de la ingenua Cécile de Volanges en "Las amistades peligrosas" (1988) de Stephen Frears, una malévola historia de enredos cortesanos con John Malkovich y Glenn Close como carismáticos intrigantes. En "Henry y June" (1990) de Philip Kaufman da vida a la mujer de Henry Miller en la adaptación del libro de Anais Nin que narra el encuentro parisino de la escritora con el matrimonio. Tras la insustancial comedia "Where the Heart Is" (1990) de John Boorman, Thurman interpreta a Lady Marian en la versión pobre de "Robin Hood" (1991) que rodó John Irvin con Patrick Bergin como arquero defensor de los menesterosos. La competencia de la versión de Kevin Reynolds (con Kevin Costner en leotardos) fue imposible de superar y el filme pasó inadvertido.

Más suerte tendría con el intenso thriller "Jennifer 8" (1992) de Bruce Robinson, donde interpretaba a una ciega perseguida por un serial killer y a la cual un policía (Andy García) pretendía proteger. A esta película le seguiría el thriller psicológico "Análisis final" (1992), dirigida por Phil Joanou. Richard Gere interpretaba a un improbable psiquiatra y Kim Basinger a una de sus pacientes que pretendía utilizar su diagnóstico como coartada para un crimen. Uma era la aparentemente ingénua hermana de Kim y, a la postre, uno de los elementos claves de la historia.

En "La novia del gangster" (1993) interpretaba a Glory, la chica de Bill Murray, un peligroso hampón al que un fotógrafo de la policía (Robert De Niro) salva la vida y éste como recompensa le ofrece la "compañía" de la muchacha. Dando un salto en su carrera hacia un cine más independiente, Uma interpreta en "Ellas también se deprimen" (1993) de Gus Van Sant, a una mujer de pulgares extraordinariamente grandes que le sirven de gran ayuda a la hora de hacer autostop.

Tal vez habiéndole cogido el tranquillo a los papeles de novia de criminales, en "Pulp Fiction" (1994), dirigida por Quentin Tarantino, encarna a Mia Wallace, la mujer del gansgter de color Marcellus. Éste le encomienda su cuidado a uno de sus secuaces (John Travolta) que, por su culpa, pasa una noche de pesadilla (y también de vicio, por qué no decirlo) bailando al ritmo de Chuck Berry, llevándola a cenar... y después teniendo que inyectarle urgentemente una dosis de adrenalina en el corazón para reanimarla en plena sobredosis. Uma (en un papel que parecía escrito pensando en ella) consiguió la interpretación más arrebatadoramente seductora de toda su carrera. Incluso bajo su peluca negra.

Tras este gran éxito, interpretó a Miss Beaumont en un mucho más tranquilo y sensible filme sobre amores otoñales titulado "Un mes en el lago" (1995) junto a la siempre estupenda Vanessa Redgrave. A este filme le seguiría otra de sus mejores interpretaciones, la que realizó en la estupenda comedia sobre treintañeros "Beautiful girls" (1996) de Ted Demme, con Mira Sorvino, Matt Dillon, Timothy Hutton, Rosie O`Donnell y Lauren Holly. La película narraba la crisis de la madurez de un grupo de jóvenes, que se veían un tanto descolocados por la llegada a su pueblo de una atractiva muchacha. El personaje de Timothy Hutton a su vez también tenía que bregar con otra tentación: la de una preadolescente Natalie Portman que añadía reminiscencias nabokovianas al conjunto.

Tras la irregular comedia "La verdad sobre perros y gatos" (1996) de Michael Lehmann, Uma interpretó a la villana vegetal Poison Ivy en "Batman y Robin" (1997) de Joel Schumacher. El trastazo comercial fue morrocotudo pese al gancho de Arnold Schwarzenegger como Mr. Freeze y George Clooney como hombre-murciélago.

Mejor fortuna corrió la orwelliana "Gattaca" (1997) de Andrew Niccol, una de las mejores películas de Sci-fi del año. La trama contaba como, en un mundo en el cual las personas nacen de forma controlada y aséptica, el código genético de un joven nacido con problemas de corazón (Ethan Hawke) le incapacita para llegar a ser astronauta. Con la ayuda de la sangre y deposiciones de un humano perfecto pero impedido por un accidente (Jude Law) suplanta su personalidad y consigue su sueño. "Gattaca" es un filme de ciencia-ficción extraño, sin efectos especiales apenas y basado en un sólido guión y en unas interpretaciones notables, en el cual Uma conoció a Ethan Hawke que, posteriormente, sería su pareja y padre de sus hijos.

Tras su participación en la versión fílmica de "Los miserables" (1998) de Billy August, interpretó a una encuerada Emma Peel en la horripilante adaptación del clásico televisivo "Los vengadores" (1998) con Ralph Fiennes como el flemático John Steed y Sean Connery como el villano Sir August de Wynter. Tras semejante desaguisado se convirtió en musa de Woody Allen y se convirtió en Blanche, la amante del personaje interpretado por Sean Penn en "Acordes y desacuerdos" (1999). Tras este papel la hemos podido ver como Charlotte Stant en "La copa dorada" (2000) de James Ivory) y "Vatel" (2000) de Roland Joffé.
En 2003 la vimos en el filme de John Woo "Paycheck", y en su nueva colaboración con Quentin Tarantino, "Kill Bill". "Paycheck" fue discreta con los críticos y la taquilla, pero "Kill Bill" relanzaría su carrera. En "Kill Bill" interpretó a una asesina en búsqueda de venganza contra su ex amante. La producción fue postergada varios meses debido a que quedó en cinta. Se consideró darle el papel a otra actriz, pero Tarantino decidió demorar la producción. La filmación tomó nueve meses y fue hecha en cinco países diferentes. El rol fue el más exigente para ella hasta ese momento, ya que pasó tres meses aprendiendo artes marciales, manejo de la espada e idioma japonés. La película fue presentada en dos partes, y fue un éxito de taquilla y crítica.

En 2005, se convertió en una de las actrices mejor pagadas de Hollywood ganando un salario de 12,5 millones de dólares por película. Su primera película del año fue "Be Cool", continuación de la película de 1995 "Get Shorty", en la cual se reunió de nuevo con su compañero de reparto en "Pulp Fiction" John Travolta. En ella, interpreta a la viuda de un fallecido ejecutivo de la industria de la música.

En el mismo año protagonizó el filme "Secretos compartidos" con Meryl Streep, interpretando a una mujer cercana a los cuarenta años, que enamora a un joven de 20 años. Y también en el 2005 interpretó la nueva versión de "Los productores" en el que interpreta a Ulla, una actriz sueca esperanzada en conseguir un papel en un musical de Broadway.

Con una exitosa carrera en el cine, volvió a convertirse en una solicitada modelo. La compañía de cosméticos Lancôme la escogió como la imagen de sus productos. En 2005, fue contratada para una función similar por la casa de modas francesa Louis Vuitton.

En el 2006 la vimos en la comedia "Mi super ex-novia", por la que cobró la cifra de 14 millones de dólares; y en el 2008 "The Life Before Her Eyes" de Vadim Parelman, un drama en el que interpreta a una mujer madura tratando de superar un trauma de adolescente...