Tokióban született, ahol repülőmérnök apja éppen dolgozott. Néhány évig Kanadában is élt, mielőtt a család hazatért Norvégiába. A visszahúzódó, érzékeny lány imádta a filmeket (kedvencei közt volt Vittorio De Sica Csoda Milánóban és Chaplin Rivaldafény című alkotása), az iskolai színielőadásokon egy személyben volt író, rendező és főszereplő. Londonban folytatott színi tanulmányai után a stavangeri színházban állt először a világot jelentő deszkákra az Anna Frank naplója előadásában.
A hatvanas évek elején az oslói Nemzeti Színház tagja lett, ekkoriban kötött barátságot svéd kolléganőjével, a Bergman-filmekben szereplő Bibi Anderssonnal. A svéd rendező felfigyelt hasonlóságukra, és forgatókönyvet írt számukra, az 1966-ban forgatott Persona című filmben a svédül még nem beszélő Ullmann néma szerepet kapott, de így is képes volt az érzelmek sokaságának kifejezésére. Később aztán annyira megtanulta a nyelvet, hogy sokan nem norvég, hanem svéd nemzetiségűnek tartják.
Ezzel a filmmel kezdődött szoros szakmai és magánéleti kapcsolata Bergmannal, akivel 1965-től öt éven át együtt éltek, tőle született egyetlen gyermeke, az íróként sikeres Linn Ullmann. Bergmannal tíz filmet készített, köztük a hatvanas évek végén a művészet és társadalom kapcsolatát, az alkotó ember küzdelmét ábrázoló trilógiát (Farkasok órája, Szégyen, Szenvedély), amelyben a gyenge, ingatag férfiakkal szemben a nők jelentik a megnyugvást, a biztos pontot és az erőt. 1967-ben dolgoztak először és utoljára együtt színházban, Pirandello Hat szerep keres egy szerzőt című színművében.