Uma Thurman comienza su preparación como actriz en la escuela preparatoria de Nueva Inglaterra, y más tarde se une a la Professional Children's School. Consigue su primer papel en 1988, en ‘Johnny Superstar’, de Bud Smith. Ese mismo año protagoniza ‘Las aventuras del barón Munchausen’, de Terry Gilliam, y ‘Las amistades peligrosas’, de Stephen Frears.

Gracias a su role de una esposa neurótica y bisexual en ‘Henry & June’ (1990), de Philip Kaufman, se confirma su talento como actriz. Además, interpreta papeles secundarios destacables como el de paciente psicótica de Richard Gere en ‘Análisis final’ (1992); testigo ciego en ‘Jennifer 8’ (1992); prostituta de Robert De Niro en ‘La chica del gángster’ (1993), y autoestopista hippie en ‘Ellas también se deprimen’ (1993).

Después de protagonizar la comedia ‘Toda la verdad sobre perros y gatos’, encarna a Hiedra Venenosa en ‘Batman & Robin’ (1997). Un año después, protagoniza el filme futurista ‘Gattaca’, junto a Ethan Hawke, y al año siguiente se pone a las órdenes de Woody Allen en ‘Acordes y desacuerdos’ (1999).

En 2003, Uma Thurman comienza un duro entrenamiento en artes marciales para protagonizar ‘Kill Bill’ y ‘Kill Bill: Volumen 2’, de Quentin Tarantino con quien ya trabajó en ‘Pulp Fiction’ (1994). Posteriormente encadena varias comedias como ‘Mi super ex-novia’ (2006), ‘Una mamá en apuros’ (2009) y ‘Ceremony’ (2010). En 2011, se une a Robert Pattinson y Christina Ricci en el drama ‘Bel Ami’, basado en la novela de Guy de Mauant.