Dedicada primerament al teatre, el 1957 començà a treballar en el cinema noruec, fins el 1966, que intervingué, ja a Suècia, en el film Persona, d’Ingmar Bergman, amb qui es casà, i passà a ésser una de les intèrprets favorites d’aquest director. Altres films seus són Vargtimmen (1967), Skammen (1968), En passion (1969), Viskingar och rop (1973), Scener ur ett aktenskap (1974), Face to face (1976), The Serpent's Egg (1977), Höst sonat (1978), The Bay Boy (1985), Speriamo che sia femina (1986), Gaby (1986), Rose Garden (1989), The Long Shadow (1991), el documental Liv Ullman scener fra et liv (‘Escenes d’una vida’, 1997) i Ljuset haller mig sällskap (‘La llum que m'acompanya’, 2000). També ha dirigit Sofie (1992), Enskilda samtal (1996), Lumière et compagnie (1995) i Trolösa (‘Infidel’, 2000), amb guió d’Ingmar Bergman. El 1976 publicà la seva autobiografia.