Robert Thurman'ın işi yüzünden sürekli taşınmak zorunda kalan aile, Uma Thurman'ı Massachusetts ve New York'ta büyüttü. Thurman çocukluk yıllarında arkadaşları tarafından alay edilen biri oldu. Arkadaşları onun ilginç adıyla, yüz yapısıyla ve büyük ayaklarıyla dalga geçiyorlardı. 10 yaşındayken annesi Thurman'ın burnundan estetik ameliyat olmasını istedi. Bu olay oyuncuyu uzun yıllar rahatsız etti, kendisini beğenmemeye başladı.
Thurman, ilk oyunculuk deneyimini Northfield Mount Hermon Lisesi'nde tattı. Notları iyi değildi, atletik de değildi ancak sahnede harikalar yaratıyordu. "The Crucible" oyunundaki rolü sayesinde yetenek avcıları tarafından keşfedildi ve profesiyonel anlamda oyuncu olmaya karar verdi. 15 yaşında yatılı okuduğu okulu bıraktı ve oyuncu olabilmek için New York'a taşındı. Geçinebilmek için bulaşık yıkıyordu.
Thurman, 16 yaşında modellik yapmaya başladı. Elite ajansıyla bir kontrat imzaladı ve kısa sürede dikkat çekerek Glamour Magazine, Vogue, Rolling Stone gibi birçok dergiye kapak oldu.
Thurman ilk sinema deneyimini 1988 yılında yaşadı. Tam dört filmde rol aldı. Bu filmler "Johnny Be Good", "Kiss Daddy Goodnight", "The Adventures of Baron Munchausen" ve "Dangerous Liaisons" idi. İlk üç film gişede başarılı olamadı. Ancak "Dangerous Liaisons" Glenn Close ve Michelle Pfeiffer'a Oskar adaylığı getirmişti ve Uma Thurman'ın yapımcıların dikkatini çekmesini sağlayan film oldu. Film vizyona girdikten sonra Thurman medyanın ilgi odağı oldu, hatta rol arkadaşı John Malkovich bir ropörtajında onun çok yetenekli ve zeki olduğunu söyledi.
1990'da, Thurman henüz 19 yaşındayken Fred Ward'la "Henry & June" adlı filmde oynadı. Film, içerdiği seks sahneleri yüzünden geniş bir kitleye ulaşmadı ancak oyuncu medyanın daha da ilgisini çekmişti.
Oyuncunun başrol oynadığı ilk film 1993 yapımı "Even Cowgirls Get the Blues" oldu. Film, Gus Van Sant tarafından yönetilmişti ancak finansal açıdan pek başarılı olamadı. Ayrıca Thurman oyunculuğu hakkında olumsuz eleştiriler aldı. Bu sırada Robert DeNiro'yla oynadığı "Mad Dog and Glory" filmi de başarılı olmadı.
Bu filmin başarısızlığının ardından Thurman, Quentin Tarantino'nun "Pulp Fiction" filminin seçmelerine katıldı. Tarantino, "Mad Dog and Glory"deki oyunculuğunu gördükten sonra Thurman'ı seçmeyi hiç düşünmemişti ancak seçmelerden sonra yemeğe gittiler, ve Tarantino filmdeki Mia karakteri için Thurman'dan daha iyi bir seçeneğin bulunmadığını anladı. Pulp Fiction, gelmiş geçmiş en başarılı filmlerden biri oldu, bir kült haline geldi. Aynı yıl Thurman "En İyi Yardımcı Kadın Oyuncu" dalında Oskar'a aday oldu. Bu deneyimden sonra Thurman, Tarantino'nun favori oyuncusu oldu.
Oyuncu, Pulp Fiction'dan sonra "The Truth About Cats and Dogs" (1996), "Batman & Robin" (1997), "Gattaca" (1998), "The Avengers" (1998) ve "Les Miserables" (1998) filmlerinde oynadı. 1997 ve 1998, Thurman'ın kariyerindeki en başarısız dönemlerden biriydi çünkü bu filmlerin hiçbiri gişede başarılı olamamıştı, oyuncu sürekli olumsuz eleştiriler alıyordu, hatta "En Kötü Oyuncu" ödülleri ona veriliyordu.
1998 yılındaki bu kötü gidişatın ve hamileliğinin ardından Thurman film çekimlerine bir süre ara verdi. Daha sonra düşük bitçeli filmlerde ve "Sweet and Lowdown", "Tape", "Vatel", "Hysterical Blindness" gibi televizyon filmlerinde rol aldı. Oyuncu "Hysterical Blindness" filminin prodüktörlüğünü de üstlenmişti ve bu filmdeki rolüyle Altın Küre Ödülü'nün sahibi oldu.
5 yıl süren uzun bir aradan sonra önemli yapımlara geri dönüş yapmak isteyen Thurman, 2003'te "Paycheck" filminde rol aldı. Hemen ardından kariyerinin en önemli filmlerinden biri olan, Tarantino yönetimindeki "kill-bill" serisi geldi. Tarantino bu filmin senaryosunu Thurman'dan ilham alarak yazdığını söylemişti. Kill Bill'in çekimleri Thurman'ın hamileliği yüzünden birkaç ay gecikti. Ayrıca Thurman, bu film için dövüş sanatları ve Japonca dersleri aldı. Fildeki "gelin" rolü oyuncuya Altın Küre adaylığı, MTV "En İyi Kadın Oyuncu" ve "En İyi Dövüş Sahnesi" ödüllerini getirdi.
2005 yılına gelindiğinde Thurman Hollywood'un en çok kazanan aktrislerinden biri olmuştu. Film başına yaklaşık 12.5 milyon dolar kazanıyordu. 2005 yılında rol aldığı filmler "Be Cool", "Prime" ve "The Producers""tı.
Aynı yıl Thurman Lancome kozmetik firmasının yeni yüzü oldu. Ayrıca Louis Vuitton'la da çalıştı. 2006 yılında en son filmi "My Super Ex-Girlfriend" vizyona girdi.
Thurman, 1980lerin sonunda yönetmen Phil Joanou'yla bir ilişki yaşadı. Bu sırada bir set ziyareti sırasında İngiliz aktör Gary Oldman'la tanışan Thurman, Joanou'dan ayrıldı. Thurman ve Oldman 1990'da evlendi ancak evlilikleri 2 yıl sürdü. 1 Mayıs 1998'de, "Gattaca" filminin setinde tanıştığı aktör Ethan Hawke'la evlendi. Çiftin 1998'de Maya Ray adında bir kızları ve 2002'de Levon Roanadında bir oğulları oldu. Hatta Hawke, yazdığı kitabı Thurman'a ithaf etti. Hawke ve Thurman 2004 yılında resmen boşandı. Hawke, Thurman'ın kendisini Tarantino'yla aldattığını düşünmüştü ve Kanadalı model Jen Perzow'la birlikte olmaya başlamıştı. Thurman, evliliklerinin sonuna doğru bir tür aldatma yaşandığını söylemiş ancak isim vermemişti. 2004'te otel sahibi Andre Balazs'la birlikte olmaya başladı ancak çift 2006'da ayrıldı.
1997'de Empire Dergisi'nin "Tüm Zamanların En İyi 100 Film Yıldızı" listesinde 99. sıradaydı. Yine aynı dergi tarafından hazırlanan "Sinema Tarihinin En Seksi 100 Yıldızı" listesinin de 20.sırasındaydı. Thurman, politik ve sosyal açıdan çok aktif biri. Silahsızlanma kampanyalarına aktif şekilde katılıyor, kürtajın yasallaştırılmasının ve kadın haklarının savunucusu. Thurman Mayıs 2006'da birFrank Schätzing romanı uyarlaması olan "The Swarm" filminin yayın haklarını satın aldı. Filmin 2008'de vizyona girmesi bekleniyor. 1.83 metre boyundaki oyuncu şu anda Hyde Park, New York'ta yaşıyor. İsmi "Uma", Hindistan mitolojisinde ışık ve güzellik tanrıçası anlamına geliyor.
