Tokióban született, ahol repülőmérnök apja éppen dolgozott. A család néhány kanadai év után Trondheimben telepedett le, ahol a visszahúzódó, érzékeny lány belső világába menekült, a moziban számtalanszor megnézte kedvenc filmjeit. Az iskolai vasárnapi színielőadásokon "edződött", színésznőként a stavangeri színházban debütált, majd az oslói nemzeti színház tagja lett.
    
1962-ben kötött barátságot svéd kolléganőjével, a Bergman-filmekben szereplő Bibi Anderssonnal. A rendező felfigyelt hasonlóságukra és Persona címmel forgatókönyvet írt számukra. Ullmann néma szerepet kapott, mert még nem beszélt svédül, de képes volt az érzelmek sorozatát szavak nélkül is kifejezni. E filmmel kezdődött a pályafutására és magánéletére is döntő hatást gyakorló kapcsolata Bergmannal, akitől Linn lánya született. Együtt készítették a művészet és társadalom kapcsolatát, az alkotó ember küzdelmét ábrázoló trilógiát (Farkasok órája, Szégyen, Szenvedély), e filmekben a gyenge, ingatag férfiakkal szemben a nők jelentik a megnyugvást, a biztos pontot és az erőt.
    
Bergmantól való válását követően Nóraként meghódította a Broadway-t és a londoni West Endet, 1970-ben a legjobb női főszereplők kategóriájában Oscar-díjra jelölték a Kivándorlók című filmben nyújtott alakításáért. A következő évben ismét Bergmannal forgatta a Suttogások és sikolyokat, majd a széthulló házasságról, emberi kapcsolatokról szóló Jelenetek egy házasságból következett. (Állítólag ő volt az egyetlen színésznő, aki nem esett szerelembe a férj szerepét alakító Erland Josephsonnal.) Ullmann ma úgy látja, e film saját öntudatra ébredésének is egyik állomása volt, ekkor kezdett a nőmozgalmak felé fordulni. Másodszorra a Szemben önmagunkkal című Bergman-filmben jelölték Oscar-díjra, a svéd zseni instruálta a Kígyótojásban és az Őszi szonátában (1978) is. Utóbbi, "két gordonkára íródott, komor hangú" filmben Ullmann Ingrid Bergman lányát játszotta.
    
Hollywoodban nem tudott igazi karriert befutni, ritkán kapott megfelelő szerepet, főként mert minden, szerinte túl erőszakos forgatókönyvet visszautasított. Legismertebb angol nyelvű filmje A híd túl messze van című második világháborús filmeposz. A nyolcvanas évektől érdeklődése a politika felé fordult, a UNICEF jószolgálati küldötteként beutazta a világ számos válságövezetét. Megpróbálkozott a rendezéssel, több forgatókönyvet is jegyez. Ő volt a narrátora a legjobb animációs rövidfilm kategóriában tavaly Oscar-díjat nyert norvég-kanadai alkotásnak, s tavaly közel négy évtized után ismét norvég filmben vállalt - ezúttal nagymama - szerepet. Filmjei sarkpontja a hit, s egyébként is az olyan alkotásokat kedveli, amelyek szeretetet, megértést, szolidaritást sugallnak és gondolatokat ébresztenek.
    
Liv Ullmann számos életműdíjat kapott, 2005-ben pedig hazájában az egyik legmagasabb királyi kitüntetéssel ismerték el. A második férjével New Yorkban élő színésznő neve alatt több önéletrajzi könyvet is kiadtak.