Annesi İsveç ve Alman kökenli model Nena von Schlebrügge, babası ise Budizm uzmanı akademisyen Robert Alexander Farrar Thurman'dır. Uma Thurman adını mitolojideki bir tanrıçadan almaktadır. Ganden (d. 1967), Dechen Karl (d. 1973) ve Mipam (d. 1978) adlarında üç erkek kardeşi vardır, ayrıca babasının önceki evliliğinden Taya adında bir üvey ablası bulunmaktadır. Uzun boyu ve yaşında göre gelişmiş fiziği nedeniyle zor bir gençlik dönemi geçiren Thurman, genç yaşlarda modellik yapmaya başladı. Kamera karşısındaki ilk deneyimini 1987'de Kiss Daddy Goodnight adlı filmde yaşadı, 1991 yapımı Dangerous Liaisons ile daha fazla dikkat çekti. 1994'te kendisini yıldız oyuncular arasına sokan Ucuz Roman (Pulp Fiction) filmi geldi. Filmde unutulmaz Mia Wallace karakterini canlandıran Thurman, bu filmden sonra daha yüksek bütçeli filmlerde başrollerde oynamaya başladı.

1997'de Joel Schumacher'ın Batman filmi Batman & Robin'de Zehirli Sarmaşık karakterini canlandırdı. 2003 yapımı bir başka Tarantino filmi Kill Bill ve devam filmindeki rolüyle, Thurman bir başka efsaneleşmiş performansa imza atmış oldu. 2006 yapımı My Super Ex-Girlfriend filmiyle kariyerinin o zamana kadarki en yüksek ücretini (14 milyon $) kazandı.

1990'dan 1992'ye kadar ünlü İngiliz aktör Gary Oldman ile evli kaldı. 1998'de bir başka ünlü oyuncu Ethan Hawke'la evlendi. Bu evlilikten 1998 yılında Maya Hawke, 2002'de Levon Roan Thurman-Hawke adlarında iki çocuğu oldu. 2005'te Thuman-Hawke ikilisi boşanmıştır. Arpad Busson'la ilişkisinden 2012'de Luna Thurman-Busson adında bir kızı daha oldu.