Uma Karuna Thurman, 29 Nisan 1970'te Boston, Massachusetts'ta doğdu. Ebeveynleri Nena Thurman ve Robert Thurman, oldukça alışılmadık ve uluslararası bir aile yapısına sahipti. Annesi Nena, Meksika'da doğmuş bir moda modeli ve babası Robert, ülkenin önde gelen Budizm akademisyenlerinden biri olan bir profesördür. Uma, Amherst, Massachusetts'ta büyüdü ve burada babası Amherst College'da çalışıyordu. Çocukluğu boyunca sürekli taşınmak zorunda kalan Uma Thurman, genç yaşta oyunculuğa olan ilgisini keşfetti ve okul oyunlarında rol aldı. 15 yaşında New York'a taşınarak modellik yapmaya ve oyunculuk rollerini kovalamaya başladı. Terry Gilliam'ın "Baron Munchausen'in Maceraları" (1988) ve Stephen Frears'ın "Tehlikeli İlişkiler" (1988) gibi filmlerdeki performansları ile dikkat çekti. 1990'da "Henry ve June" filmindeki rolüyle büyük beğeni topladı. Ancak, kariyeri 1990'ların başında "Hediyelik Kadın" (1993) ve "Dişi Kovboylar da Hüzünlenir" (1993) gibi ticari olarak başarısız filmlerle duraklama yaşadı.

Thurman, Quentin Tarantino'nun "Ucuz Roman" (1994) filminde Mia Wallace rolüyle büyük bir geri dönüş yaptı ve bu performansı ile En İyi Yardımcı Kadın Oyuncu dalında Akademi Ödülü'ne aday gösterildi. 2003-2004 yılları arasında, Tarantino'nun yazdığı ve yönettiği "Kill Bill" filmlerinde “Gelin/Beatrix Kiddo” karakteri ile başrolde yer aldı. Bu filmler, Thurman'ın kariyerinin en önemli yapımlarından biri oldu ve kendisine uluslararası çapta da büyük bir hayran kitlesi kazandırdı. Bu dönemde "Be Cool" (2005), "Prime" (2005) ve "The Producers" (2005) gibi filmlerde de rol aldı; 2000’li yıllarda ayrıca "My Super Ex-Girlfriend" (2006), "The Life Before Her Eyes" (2007) ve "Motherhood" (2009) gibi filmlerin kadrosuna dahil oldu. 2012’de televizyona geçerek "Smash" dizisinde yer aldı ve performansıyla beğeni topladı. 2013'te Lars von Trier'in "Nymphomaniac" filminde kısa ama etkileyici bir rolde oynadı. 2015'te "The Slap" mini dizisinde ve "Burnt" filminde rol aldı. Ayrıca, 2017'de Broadway'de "The Parisian Woman" oyununda sahne aldı ve büyük beğeni topladı. 2018'de ise Lars von Trier'in "The House That Jack Built" filminde ve "Down a Dark Hall" filminde oynadı. 2019'da Netflix'in "Chambers" dizisinde rol aldı ve aynı yıl David di Donatello Film Ödülleri'nde kariyer onur ödülü aldı. 2020'de "The War with Grandpa" filminde Robert De Niro ile birlikte rol alan Thurman, 2022'de Apple TV+ dizisi "Suspicion" ve Showtime antoloji dizisi "Super Pumped: The Battle for Uber" projelerinde  de boy gösterdi. Ünlü ve ödüllü oyuncunun yakın dönemdeki diğer işleri arasında ise "The Kill Room" (2023), "Red, White & Royal Blue" (2023), Oh, Canada (2024),  "The Old Guard 2 " (2024) ve Ballerina Overdrive gibi projeler sayılabilir.