Określana jako "nowa Marlena Dietrich", między innymi dlatego, że specjalizuje się w rolach zmysłowych uwodzicielek. W 1997 roku zajęła 99 miejsce na liście "100 gwiazd filmowych wszechczasów" brytyjskiego magazynu "Empire", który zamieścił aktorkę również na 20 miejscu listy "100 najseksowniejszych gwiazd w historii kina" w 1995 roku.

Uma Thurman rozpoczęła karierę w wieku 16 lat jako modelka w Nowym Jorku. Zadebiutowała w roku 1987 w filmie "Kiss Daddy Good Night" w roli młodej uwodzicielki, która ograbia swoje ofiary. Następnie pojawiła się w młodzieżowym filmie "Johnny Be Good" (1988) obok Anthony'ego Michaela Halla, ale drogę do sławy otworzył aktorce kostiumowy film "Niebezpieczne związki" (1989) Stephena Frearsa, oparty na powieści Choderlosa de Laclos, gdzie zagrała niewinną ofiarę bezwzględnego donżuana, Johna Malkovicha. W "Przygodach barona Munchausena" Terry'ego Gilliama Uma Thurman pojawiła się wystylizowana na boginię miłości Wenus według obrazu Boticellego. Zupełnym przeciwieństwem tej roli była postać manipulacyjnej i drapieżnej June, żony pisarza Henry'ego Millera w biograficznym filmie Philipa Kaufmana "Henry i June" (1990). Natomiast we thrillerze "Jennifer 8" (1992), z Andy Garcią, aktorka zagrała ślepą dziewczynę, którą prześladuje seryjny morderca. Thurman partnerowała także Robertowi De Niro i Billowi Murrayowi w komedii gangsterskiej "Dziewczyna gangstera" (1993). W filmie "I kowbojki mogą marzyć" (1994) Gusa Van Santa zagrała niezależną autostopowiczkę z ogromnymi kciukami. Kultowy film Quentina Tarantino "Pulp Fiction" (1994) uczynił z aktorki prawdziwą sławę i przyniósł jej nominację do Oscara dla aktorki drugoplanowej.

W drugiej połowie lat 90. aktorka kontynuowała występowanie w bardzo zróżnicowanych rolach, eksperymentując z gatunkami filmowymi. W  kameralnej komedii romantycznej "Miesiąc nad jeziorem" (1995) zagrała kokieteryjną guwernantkę, która flirtuje z Edwardem Foxem, przysparzając zmartwień Vanessie Redgrave. W komedii "Jak pies z kotem" (1996) zagrała głupią blondynkę, przyjaciółkę inteligentnej brunetki granej przez Janeane Garofalo. W ostatnim z serii filmów o Batmanie, "Batman i Robin", Thurman wcieliła się w jeden z czarnych charakterów, podstępną Kobietę-Trujący-Bluszcz, a w filmie science-fiction "Gattaca" (1997) Andrew Niccola, z Ethanem Hawke i Judem Law, zagrała genetycznie idealną, wrażliwą piękność. Natomiast superprodukcja "Rewolwer i melonik" (1998), oparta na popularnym serialu telewizyjnym z lat 60., gdzie aktorka zagrała seksowną Emmę Peel, obok Ralpha Fiennesa i Seana Connery, zrobiła spektakularną klapę. Obecnie Uma Thurman wydaje się preferować role w ambitniejszych produkcjach, z których większość to głównie dramaty kostiumowe. W adaptacji "Nędzników" (1998) Bille Augusta, według powieści Victora Hugo, powierzono jej rolę nieszczęśliwej Fantine, którą wspomaga Jeana Valjeana. "Słodki drań" (1999) Woody Allena, to z kolei biograficzna opowieść o fikcyjnym muzyku jazzowym, Emmetcie Rayu, w którego wcielił się Sean Penn, a Uma Thurman zagrała kolejną uwodzicielkę, Blanche, która odbija muzyka skromnej Hattie (Samantha Morton). Ostatnie dwa filmy kostiumowe w dorobku aktorki to "Vatel" (2000) Rolanda Joffé, gdzie jako Anne de Montausier partnerowała Gérardowi Depardieu w roli tytułowej, i "The Golden Bowl" (2000) Jamesa Ivory'ego, adaptacja klasycznej powieści Henry'ego Jamesa, w której aktorka zagrała namiętną Charlotte Stant, romansującą z własnym zięciem (Jeremy Northam).

Prywatnie Uma Thurman była żoną aktora Gary Oldmana (1990-1992), następnie wiązała się z aktorami Robertem De Niro i Timothy Huttonem. Jej małżeństwo z Ethanem Hawke, z którym ma córkę Mayę Ray i syna Roana, przetrwało niespełna 6 lat.