Uma Karuna Thurman lahir di Boston, Massachusetts, dari keluarga yang sangat tidak konvensional dan berorientasi internasional. Ibunya, Nena Thurman (née Birgitte Caroline von Schlebrügge), adalah model dan sosialita yang kini mengelola tempat peristirahatan di pegunungan, sedangkan ayahnya, Robert Thurman, adalah profesor dan cendekiawan Buddha terkemuka.

Orang tua Uma memiliki keturunan campuran: ibunya berasal dari Mexico City dengan darah Jerman dan Swedia, sementara ayahnya berasal dari New York dengan darah Inggris, Skotlandia, dan Jerman. Uma dibesarkan di Amherst, Massachusetts, di mana ayahnya mengajar di Amherst College, dan ia tumbuh dengan nama-nama yang terinspirasi dari mitologi Buddha.

Sejak kecil, Uma menonjol karena tinggi badannya dan ukuran kaki yang besar, yang sering menjadi bahan bully di sekolah. Kehidupan keluarga yang berpindah-pindah membuatnya sering menjadi anak baru serta merasa sendiri dan berbeda, menimbulkan rasa malu dan kesepian. Ia suka berakting di kelas sebagai pelampiasan dan menjadi satu-satunya kegiatan yang ia kuasai dengan baik.

Pada usia 15 tahun, Uma pindah ke New York untuk sekolah dan memulai karier model, yang kemudian membawanya ke dunia akting. Ia tampil di film Hollywood awalnya dengan peran kecil, lalu mendapatkan perhatian di film seperti The Adventures of Baron Munchausen dan Dangerous Liaisons pada tahun 1988, yang memperlihatkan sensualitas uniknya.

Karier Thurman meroket setelah berperan dalam Pulp Fiction (1994) sebagai Mia Wallace, yang membuatnya mendapat nominasi Academy Award. Ia mengalami masa sulit di awal 90-an dengan film gagal, tapi bangkit kembali melalui berbagai film independen dan produksi besar, termasuk peran ikonik di Kill Bill (2003 & 2004). Selain itu, Ia pernah menikah dua kali dan memiliki dua anak.