Née le 29 avril 1970 aux États-Unis, elle est la première enfant de la seconde femme de Robert A.F. Thurman. Son père était professeur de religion à Amherst College et fut le premier Américain ordonné moine suivant la tradition du bouddhisme tibétain en 1964, et il a étudié avec le Dalaï-lama. Uma reçut, comme ses trois frères, Dechen, Ganden et Mipam, un prénom tibétain, en l’occurrence celui d’une déesse de la lumière et de la beauté. Sa mère, Nena von Schlebrugge, née d'un père allemand et d'une mère suédoise, a été modèle pour une grande agence de mannequins avant de devenir psychothérapeute. Elle avait épousé en premières noces Timothy Leary, le « pape du LSD », qui lui avait été présenté par le peintre Salvador Dalí. La mère d'Uma Thurman divorça en 1965 et se remaria avec l'enseignant bouddhique en 1967.
Ainsi, dans une ambiance d'une famille intellectuelle et bohème, marquée par la Beat generation, l'éducation d'Uma Thurman ne pouvait que l’inciter à développer son indépendance et sa liberté d’esprit.
Elle grandit à Amherst mais passa aussi quelques temps en Inde avec ses parents. C'est à 15 ans que la jeune Uma décide de voler de ses propres ailes et part pour New York pour y devenir mannequin. Elle signe avec l'agence Click Models. Par la suite, elle est remarquée par un producteur, et en 1987, elle débute dans un rôle de femme fatale dans Kiss Daddy Goodnight et enchaîne avec la comédie Johnny Be Good.
Elle se fait découvrir dès son troisième film, Les Aventures du baron de Münchhausen, où elle campe une déesse Vénus juvénile, pulpeuse... et libérée, et surtout dans le suivant, Les Liaisons dangereuses où, incarnant la naïve Cécile de Volange, elle apporte le soupçon de perversité requis par le rôle.
Une actrice est née.
