Prénommée Uma en l'honneur de la déesse hindoue de la lumière, la belle grandit à Woodstock au sein d'une famille hippie qui l'encourage à développer un esprit libre et indépendant.
À quinze ans, l'adolescente part vivre seule à New York. Elle enchaîne les petits boulots, perce dans le mannequinat mais peine à embrasser la carrière de comédienne. Révélée en juvénile et pulpeuse Vénus dans Les Aventures Du Baron De Münchhausen puis en troublante ingénue dans Les Liaisons dangereuses de Stephen Frears, les réalisateurs profitent de son regard particulier et de son image sensuelle pour lui faire jouer des rôles troubles à la limite de l'érotisme. 1994 est l'année de la consécration : Uma Thurman se retrouve en tête d'affiche du cultissime Pulp Fiction de Quentin Tarantino.
Son rôle de pseudo-actrice junkie et sa danse endiablée lui valent une nomination aux Oscars. Retirée un temps du cinéma pour élever ses deux enfants, Uma Thurman s'entraîne durement aux arts martiaux et fait un come-back tonitruant dans Kill Bill dans les années 2000. Depuis elle apparaît au générique de quelques comédies, Ma super ex (2006), Un mari de trop (2008), Love coach (2012) mais se fait plus rare au cinéma. On la retrouve en 2013 dans un tout autre registre avec le film de Lars von Trier, Nymphomaniac.
En 2018, elle est de retour, à l'affiche de The House that Jack built, réalisé par Lars von Trier, projeté au Festival de Cannes, hors compétition. En mai 2024, elle est à l'affiche du film Oh Canada, réalisé par Paul Schrader et en compétition officielle à la 77e édition du Festival de Cannes.
Côté vie privée, après un mariage précoce avec l'acteur Gary Oldman (1990–1992), Uma Thurman rencontre Ethan Hawke sur le tournage de Bienvenue à Gattaca en 1997. Ils se marient le 1er mai 1998 et ont deux enfants, Maya (née le 08/07/1998) et Levon (né le 15/01/2002). Mais l'infidélité de l'acteur aura raison de leur couple et leur divorce est prononcé en juillet 2004. Durant l'été 2007 l'actrice rencontre le financier Arpad Busson. Ils se séparent en 2009 pour mieux se retrouver deux ans plus tard et fonder une famille. Leur fille, Rosalind Arusha Arkadina Altalune Florence (surnommée Luna) naît le 15 juillet 2012. Mais en avril 2014 le couple se sépare à nouveau.