Svoj výrazný herecký talent ale uplatnila aj v mnohých ďalších filmoch najrôznejších žánrov. Od nezávislých komorných snímok až po kasové trháky ako Batman a Robin alebo Bedári.
Vlastným menom Uma Karuna je táto štíhla plavovláska dcérou popredného amerického profesora budhistických štúdií Roberta Thurmana, ktorého v roku 1965 uviedol tibetský dalajláma do mníšskeho stavu. Dcéru Umu pomenoval po hinduistickej bohyni, Karuna znamená v budhizme súcit. Dom Thurmanovcov v Amherste, kde Uma vyrastala s tromi bratmi Dechenom, Gaudenom a Mipamom, bol podľa nej vždy plný študentov, utečencov z Tibetu a psov. Občas ho navštevoval aj tibetský dalajláma sám.
Detstvo Thurmanovej ale veľmi šťastné nebolo. S výškou 183 centimetrov čnela nad všetkými spolužiakmi, nosila najväčšie topánky a deti sa jej smiali. Mala dlhý nos a celkovo pôsobila zvláštne. Jediné, čo ju bavilo, bolo hranie v školských predstaveniach. V pätnástich rokoch odišla zo školy a odišla do New Yorku, kde sprvu umývala riad, pracovala ako modelka a túžila hrať vo filmoch.
A šťastie jej prialo. Po nevalnom debute si ju všimol režisér Stephen Frears a zveril jej úlohu zvedenej Cecile de Volanges v Nebezpečných známostiach (1988), po čom hneď nasledoval fantaskný príbeh Dobrodružstvá Barona Prášila režiséra Terryho Gilliama. Oba filmy predstavili jej neobvyklý pôvab a herecké umenie, v ktorom sa dômyselne miešala nevinnosť sa svetáckosťou. Z podivného vysokánskeho dievčaťa sa razom zrodil nový sexsymbol.
Z jej ďalších rolí vynikol bravúrny part bisexuálnej ženy spisovateľa Henryho Millera v snímke Henry a June (1990). A osudovým sa jej stalo stretnutie s režisérom Quentinom Tarantinom. V kultovej snímke Pulp Fiction (1994) nadchla divákov i kritikov. Rola milenky mafiána s láskyplným vzťahom ku kokaínu jej vyniesla nomináciu na Oscara.
V ďalšom dvojdielnom tarantinovskom projekte Kill Bill (2003, pokračovanie 2004), ktorý doviedol klasický kung-fu film na úroveň paródie, Thurman v úlohe profesionálnej vrahyne s prezývkou Čierna mamba predvádzala fascinujúce športové výkony. Za rolu získala dve nominácie na Zlatý glóbus.
Sci-fi thriller Gattaca (1997) jej priniesol známosť s americkým hercom Ethanom Hawkom, za ktorého sa v roku 1998 vydala a má s ním dcéru Mayu Ray a syna Roana. Bol to jej druhý manžel a rozviedli sa v roku 2005. Prvým bol britský herec Gary Oldman.
V snímke Moja super ex z roku 2006 hrala ženu, ktorá ako dieťa našla meteorit a vďaka nemu získala nadprirodzené schopnosti. „Bolo príjemné hrať postavu, ktorá sa vie uvoľniť. Toľko žien to nevie. Sme naučené ovládať sa a správať vyrovnane. Táto žena proste všetko vyventiluje. Keď pomyslím na ponižujúce skúsenosť mnohých žien, ktoré musia len sedieť niekde ticho v kútiku a dusiť všetko v sebe,“ komentovala to raz.
S režisérom Woody Allenom a kolegom Seanom Pennom natočila v roku 1999 biografický príbeh hudobníka Emmeta Raya Sladký ničomník. A s hereckým partnerom z Pulp Fiction Johnom Travoltom sa Thurman v roku 2005 opäť stretla v gangsterke Buď v kľude.
V roku 2013 sa objavila vo viac ako štvorhodinovej štúdii ženskej sexuality dánskeho režiséra Larsa von Triera s názvom Nymfomanka (2013). A jedným z jej posledných snímok je rodinná komédia War with Grandpa, natočená pod režijným vedením Tima Hilla s kolegami Robertom de Nirom a Christopherom Walkenom.
Pred dvoma rokmi obvinila Thurman v americkej tlači filmového producenta Harveyho Weinsteina, že ju kedysi napadol s cieľom domôcť sa sexu. Spomenula tiež, že režisér Tarantino ju počas nakrúcania snímky Kill Bill z roku 2003 prinútil k nebezpečnému kúsku v aute, počas ktorého sa zranila. Tarantinovi však odpustila, hoci poznamenala, že istý čas bol ich vzťah veľmi odťažitý.
Okrem herectva sa Uma Thurman venuje produkovaniu filmov, v roku 2017 pôsobila ako predsedníčka poroty Un Certain Regard na MFF v Cannes. A pred tromi rokmi tiež na karlovarskom filmovom festivale uviedla snímku Kill Bill.