Tuba Ünsal, 7 Aralık 1981'de Denizli'de dünyaya geldi. Babası Yunanistan göçmeni Türk kökenli bir aileden gelirken, annesinin ailesi Bulgaristan'dan gelen Oğuz Türkleri ve Romanya'dan göç etmiş Kazan Tatarı kökenlidir. Eğitim hayatına Çanakkale Onsekiz Mart Üniversitesi'nde işletme bölümünde başlayan Ünsal, daha sonra İstanbul Bilgi Üniversitesi'nin fotoğraf ve video bölümünden mezun oldu. Modellik kariyerine 1998 yılında Elite Model Look yarışmasına katılarak adım atan Ünsal, reklam filmleri ve kampanyalarda yer aldıktan sonra oyunculuğa yöneldi. Aynı zamanda tiyatro ve film yapımcılığı da yapmaktadır.

Tuba Ünsal, oyunculuk kariyerine Kara Melek dizisi ile başladı. İlk yıllarında yardımcı rollerde görünen Ünsal, 2002 yılında "Karaoğlan" dizisinde Bayırgülü karakteriyle başrol oynayarak dikkat çekti. 2004 yılında "Vizontele Tuuba" filminde Tuuba  karakterini canlandırarak sinema dünyasında önemli bir yer edindi. 2005’tel "Yeniden Çalıkuşu" dizisinde Çalıkuşu Handan rolüyle izleyicilerin beğenisini kazandı. 2007 yılında "Yemin" dizisinde Leyla Mermertay karakteriyle başrol oynadı ve bu rolüyle büyük bir çıkış yakaladı. Aynı yıl "Çılgın Dersane" filminde Çıtır Özlem karakteriyle geniş bir izleyici kitlesine ulaştı.

2010 yılında "Çakallarla Dans" filminde Sinem karakterini canlandırdı. Döneminin popüler yapımlarından olan “Öyle Bir Geçer Zaman Ki” dizisinde 24 bölüm boyunca Filiz karakterine hayat verdi. Sinema yazarı ve senarist Burak Göral'ın senaryosunu yazdığı ve Özer Kızıltan’ın yönetmenliğini üstlendiği Beni Unutma (2011) filminde Mert Fırat ve Açelya Devrim Yılhan ile karşılıklı oynayarak Ebru karakterine hayat verdi. 2016 ve 2017 yıllarında "Dünyanın En Güzel Kokusu 1-2" filmlerinde Derya karakterini canlandırdı ve Rıza Kocaoğlu ile başrolleri paylaştı.

Son yıllarda ise 2020-2021 yılları arasında "Aşk 101" dizisinde (yetişkin) Eda rolüyle ve 2022-2023 yıllarında "Gecenin Ucunda" dizisinde Nermin Işık karakteriyle izleyicilerin karşısına çıktı. Tuba Ünsal, 2024 yılında "Mehmed: Fetihler Sultanı" dizisinde Mara Hatun karakterini canlandırarak tarihi bir dizide de boy göstermiş oldu. Güzel ve deneyimli oyuncu yakın zamanda ayrıca Masallardan Geriye Kalan (2020), Aşkın Ömrü (2022), Sadece Bir Gece (2022), Aşk Sadece Bir An (2025) projeleri için de kamera karşısına geçti. Biri televizyon programcısı Mirgün Cabas olmak üzere 3 kere evlenip boşanan oyuncunun iki de çocuğu vardır.