Uma Thurman começa a carreira de modelo aos 15 anos de idade. Aos 18 anos, em 1988, ela entra de vez no mundo do cinema ao estrelar em quatro filmes, todos em pequenas aparições, exceto Ligações Perigosas, que chama atenção à atriz. Ela persiste nos dramas de temática sexual com Henry & June - Delírios Eróticos (1990), a primeira produção proibida aos menores de 17 anos nos Estados Unidos.

Seu primeiro papel como protagonista ocorre sob direção do cultuado Gus Van Sant em Even Cowgirls Get the Blues (1993), no qual ela é dotada de dedos da mão incrivelmente grandes. A produção é um fracasso, e Thurman é indicada à Framboesa de Ouro de pior atriz do ano. Depois de mais um fracasso, Mad Dog and Glory (1993), com Robert De Niro, ela faz um teste para o filme (nunca realizado) de Stanley Kubrick, Wartime Lies, e também é recusada.

Sua sorte muda quando ela é escolhida para estrelar Pulp Fiction - Tempo de Violência (1994), pelo qual é indicada ao Oscar de melhor atriz coadjuvante. Ela passa a estrelar grandes produções, como a ficção científica Gattaca - Experiência Genética (1997) e os filmes de super-herói Batman & Robin (1997) e Os Vingadores (1998). Os três são fracassos de bilheteria, e Thurman é muito criticada por sua atuação. Ela é indicada a mais duas Framboesas de Ouro de pior atriz.

Com estas decepções, ela volta às produções menores, como Vatel - Um Banquete Para o Rei (2000) e Hysterical Blindness (2002). Ela chama atenção no papel de uma mulher descontrolada e vence o Globo de Ouro. O grande retorno de sua carreira novamente ocorre com Quentin Tarantino, que a convida a atuar no papel principal em Kill Bill - Volume 1 (2003) e Kill Bill - Volume 2 (2004). Com o sucesso dos dois filmes, ela aumenta consideravalmente seu salário e retorna às grandes produções em Os Produtores (2005) e Uma Mãe em Apuros (2010). Os dois filmes recebem péssima reação do público, e este último detém a marca de maior fracasso da história do cinema britânico, faturando apenas £88 em seu primeiro fim de semana.

Thurman retoma as produções de época, típicas do início da sua carreira, em Bel Ami - O Sedutor (2012), no qual interpreta uma mulher poderosa e sedutora.