Liv Ullmann est née à Tokyo, où son père travaillait comme ingénieur des mines. La famille émigre ensuite au Canada puis aux États Unis pour échapper à la guerre. Les Ullmann retournent ensuite en Norvège, dans la ville de Trondheim, où Liv passera son enfance.

Liv Ullmann entame sa carrière au théâtre, semble-t-il contre l'avis de sa famille. Elle suivra des cours de théâtre d'abord à Londres puis à Oslo. Elle est remarquée pour son interprétation dans une adaptation théâtrale du Journal d'Anne Frank dans laquelle elle tient le rôle principal. Elle interprètera aussi des pièces de Bertolt Brecht, Goethe, Henrik Ibsen.

Au cinéma, après quelques films qui lui permettent d'acquérir un peu d'expérience, Ingmar Bergman, frappé par sa ressemblance avec Bibi Andersson, écrit le scénario de Persona dans lequel il dirige les deux actrices. Ce film marque le début d'une longue et fructueuse collaboration entre le réalisateur suédois et Liv Ullmann. L'Heure du loup, Une passion, Scènes de la vie conjugale et surtout Cris et chuchotements sont à cet égard les films où les talents conjugués du réalisateur et l'interprétation de Liv Ullmann sont les plus notables. Cette collaboration se poursuit dans le temps, puisque le réalisateur la sollicite encore en 2003, avec Sarabande. Liv Ullmann et Ingmar Bergman ont aussi vécu ensemble pendant plusieurs années et ont eu une fille, Linn Ullmann qui jouera d'ailleurs, enfant, dans certains des films de son père.

Liv Ullmann va elle-même se mettre à la réalisation, elle obtient une certaine reconnaissance avec Sofie et un succès en salle, en Norvège, avec l'adaptation d'une trilogie romanesque de l'écrivain prix Nobel Sigrid Undset : Kristin Lavransdatter. Elle réalise enfin Entretiens privés et Infidèle, sélectionné au Festival de Cannes 2000, dont les scénarios sont d'Ingmar Bergman.

Liv Ullmann est membre d'honneur du Club de Budapest1.

Le 10 décembre 2010, Liv Ullmann a participé à la cérémonie de remise du prix Nobel de la paix au Chinois Liu Xiaobo. Ce dernier, emprisonné en Chine, était absent, Liv a lu, lors de la cérémonie un texte du lauréat