Tokióban született, ahol repülőmérnök apja éppen dolgozott, és néhány évig Kanadában is élt, mielőtt a család hazatért volna Norvégiába. A visszahúzódó, érzékeny lány imádta a filmeket, az iskolai színielőadásokon egy személyben volt író, rendező és főszereplő. Az ötvenes években Londonban folytatott színi tanulmányokat, és a hatvanas évek elején az oslói Nemzeti Színház tagja lett.

Ekkoriban kötött barátságot svéd kolléganőjével, a Bergman-filmekben szereplő Bibi Anderssonnal. A rendező felfigyelt hasonlóságukra és Persona címmel forgatókönyvet írt számukra - ebben Ullmann, aki még nem beszélt svédül, néma szerepet kapott, de így is képes volt az érzelmek sokaságának kifejezésére. (Később annyira megtanult, hogy a világ nagyobb részén ma már azt hiszik, nem norvég, hanem svéd nemzetiségű.)

A filmmel kezdődött szoros szakmai és magánéleti kapcsolata Bergmannal, akivel 1965-től öt évig együtt is élt, a rendezőtől született egyetlen gyermeke, a ma már 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.

Ullmannt 1970-ben a legjobb női főszereplő kategóriában Oscar-díjra jelölték a Kivándorlók című filmben nyújtott alakításáért, és bár az aranyszobrocskát nem kapta meg, a Golden Globe-díjjal vigasztalódhatott. 1971-ben ismét Bergmannal forgatta a Suttogások és sikolyokat, majd a széthulló házasságról, emberi kapcsolatokról kíméletlen őszinteséggel valló Jelenetek egy házasságból következett. (A legenda szerint ő volt az egyetlen színésznő, aki partnerei közül nem esett szerelembe a férj szerepét alakító Erland Josephsonnal.) Ullmann ezt a filmet, amelynek 2003-ban a folytatása is elkészült, saját öntudatra ébredésében is fontos állomásként értékeli.

Másodszorra a Szemben önmagunkkal című Bergman-filmben jelölték Oscar-díjra 1976-ban, és ő instruálta a Kígyótojásban és az Őszi szonátában is, utóbbiban Ullmann a híres zongoraművészt alakító Ingrid Bergman lányát játszotta. Bergman felkérését csak egyszer utasította vissza, az Oscar-díjat nyert Fanny és Alexandert mondta le egy norvégiai forgatás kedvéért, amit saját bevallása szerint még ma is bán.

Liv Ullmann Hollywoodban nem tudott karriert befutni, mert a szerinte túl erőszakos forgatókönyveket visszautasította, ezért hárította el Brian De Palma megkeresését, aki a Gyilkossághoz öltözve című film főszerepét szánta neki; a népszerű Szex és New York című tévésorozatban, illetve az egyik Ocean's-filmben felajánlott szerepről később már kora miatt mondott le. Legismertebb angol nyelvű filmje A híd túl messze van című második világháborús filmeposz, amelyben egyebek között Laurence Olivier volt partnere.

2007-ben közel négy évtized után ismét norvég filmben vállalt - ezúttal nagymama - szerepet, ugyanabban az évben ő volt a narrátora a legjobb animációs rövidfilm kategóriában Oscar-díjat nyert norvég-kanadai alkotásnak. Ullmann rendezéssel is foglalkozik, 1992-es Sofie című drámájában és a 2000-ben Bergman forgatókönyvéből forgatott Hűtlenekben is Erland Josephsont instruálta. 2013 elején jelentették be, hogy filmre viszi August Strindberg Julie kisasszony című drámáját. Filmjei sarkpontja a hit, és egyébként is az olyan alkotásokat kedveli, amelyek szeretetet, megértést, szolidaritást sugallnak és gondolatokat ébresztenek.

Színpadi színésznőként is kiváló. Legismertebb szerepe Nóra Ibsen drámájában, amiért egy Broadway-előadás után 1975-ben a színházi Oscarnak nevezett Tony-díjra jelölték. Két év múlva újra nominálták, ezúttal egy O'Neill-drámában nyújtott alakításáért. Ullmann színpadi rendezőként Amerikában 70 évesen debütált, A vágy villamosa című Tennessee Williams-darabban Cate Blanchett ausztrál színésznőt instruálta, hatalmas sikerrel. Ezután Norvégiában színpadra vitte O'Neill Utazás az éjszakába című művét, amelyben maga is játszott - negyedszázad után először lépett szülőhazájában színpadra. Az előadás érdekessége, hogy a próbákat Bergman egykori svédországi otthonában, Farö szigetén tartották.

Liv Ullmann filmes munkája elismeréseként számos életműdíjat kapott, köztük 2004-ben az Európai Filmakadémiától, 2005-ben az egyik legmagasabb norvég királyi kitüntetést vehette át. A nyolcvanas évektől érdeklődése a politika felé fordult, az UNICEF jószolgálati küldötteként beutazta a világ számos válságövezetét. Két alkalommal ment férjhez, és kétszer vált el, második, amerikai férjével több mint két évtizedig élt New Yorkban. Neve alatt több önéletrajzi könyvet is (Változások, Választások) kiadtak. A több nyelven beszélő színésznő ideje nagyobb részét Amerikában tölti, de Norvégiában is van egy háza egy fjord sziklái között.