Лив Ульман родилась в Токио, выросла в Канаде, училась актёрскому мастерству в Лондоне, работала в театре Ставангера, а позднее служила в Национальном театре в Осло. Её звезда взошла в 1966 году, когда она снялась (вместе с Биби Андерсон) в одном из величайших фильмов Ингмара Бергмана — «Персона» — в роли Элизабет Фогелер, актрисы, которая, однажды, замолчав во время спектакля, отказалась говорить совсем.
До этого фильма Лив Ульман снялась в пяти незначительных норвежских и одном шведском фильмах. Благодаря «Персоне» Ульман получила роли у американских режиссёров. Впоследствии снималась во многих фильмах этого режиссёра, от которого родила дочь, ставшую известной в Швеции журналисткой. Неоднократно номинировалась на премию «Оскар» за лучшую женскую роль.
Помимо работы с Бергманом, Лив Ульман блистала на Бродвее и в Голливуде, сыграв огромное количество ролей в пьесах Генрика Ибсена. В 1977 г. вышла её автобиография «Изменения». В 1990-е гг. Лив Ульман занялась режиссурой, её фильмы удостоены многих премий.
В июне 2008 года Лив Ульман возглавляла жюри основного конкурса XXX Московского международного кинофестиваля.
Единственный её ребёнок — дочь Линн (род. 9 августа 1966), которую Лив Ульман родила от Ингмара Бергмана, хотя никогда не была за ним замужем, о чём она написала в автобиографии Changing, вышедшей в 1977 году. Линн — достаточно известный писатель и журналист. Она родила двух детей в двух браках, мальчика и девочку.