Née en 1970 à Boston, Uma Thurman est la fille d’un psychologue et d’un professeur d’université. Elle grandit à Amherst, dans le Massachusetts, et à Woodstock, dans l’Etat de New York. Elle est découverte à 15 ans par deux agents new-yorkais alors qu’elle interprète "La chasse aux sorcières" avec sa classe, dans une école en Nouvelle-Angleterre.
A 16 ans, elle entre à la Professional Children’s School de New York pour y devenir actrice. Elle tient son premier rôle dans un film majeur en 1988 dans Johnny Be Good de Bud Smith, face à Anthony Michael Hall, mais c’est son incarnation de Vénus dans le film fantastique Les Aventures de Baron de Munchausen de Terry Gilliam qui la fait remarquer pour la première fois, un an plus tard. Elle est saluée la même année pour son portrait de la jeune Cécile de Volanges séduite par John Malkovich dans Les Liaisons Dangereuses de Stephen Frears.
L’année suivante, elle partage avec Fred Ward et Maria de Medeiros la vedette d’Henry et June de Philip Kaufman, dans lequel elle interprète l’épouse névrosée et bisexuelle d’Henry Miller. Elle incarne ensuite Daphné McBain dans la comédie Tout pour réussir de John Boorman.
En 1991, elle suit une thérapie dans le thriller Sang Chaud pour Meurtre de Sang Froid de Phil Joanou, avec Richard Gere et Kim Basinger, puis incarne Marianne dans Robin des Bois de John Irvin, avant de retrouver John Malkovich dans Jennifer 8 de Bruce Robinson.
Dans Mad Dog and Glory de John McNaughton, elle devient la domestique de Robert De Niro, avant de jouer dans le très excentrique Même les Cowgirls ont du vague à l'Ame de Gus Van Sant.
Uma Thurman est nommée à l’Oscar de la meilleure actrice en 1996 pour Pulp Fiction, le film plébiscité de Quentin Tarantino. La même année, elle interprète le film en costumes de John Irvin A Month By The Lake, avec Vanessa Redgrave, et la romance contemporaine Beautiful Girls de Ted Demme, dont elle partage la vedette avec Matt Dillon, Rosie O’Donnell, Max Perlich, Lauren Holly et Timothy Hutton.
Elle joue ensuite dans Batman & Robin de Joel Schumacher, Bienvenue A Gattaca d’Andrew Niccol, avec Ethan Hawke, puis Les Misérables de Bille August avec Liam Neeson et la version cinéma de Chapeau Melon et Bottes de Cuir par Jeremiah Chechik, face à Ralph Fiennes. On la retrouve dans Accords et Désaccords de Woody Allen, avec Sean Penn et Samantha Morton, Vatel de Roland Joffé, avec Gérard Depardieu et Tim Roth, La Coupe d'Or de James Ivory, avec Nick Nolte, Anjelica Huston et Jeremy Northam, et Tape de Richard Linklater, avec Ethan Hawke et Robert Sean Leonard, pour lequel elle a été nommée à l’Independent Spirit Award de la meilleure actrice dans un second rôle.
Elle a été la vedette des deux films d’action de Quentin Tarantino Kill Bill, volumes I et II, et a été nommée au Golden Globe pour le deuxième film. Elle a joué aussi dans Paycheck de John Woo.
Elle a joué ensuite dans la suite de Get Shorty, Stars et Truands, dans Petites Confidences (à ma Psy), écrit et réalisé par Ben Younger, avec Meryl Streep, et dans Les Producteurs de Susan Stroman, avec Nathan Lane et Matthew Broderick. On l’a vue depuis dans le rôle de la super-héroïne petite amie de Luke Wilson dans Ma Super Ex d’Ivan Reitman. Elle était aussi la vedette d’Un Mari de trop de Griffin Dunne, dans lequel, voulant épouser Colin Firth, elle s’aperçoit qu’elle est déjà mariée à Jeffrey Dean Morgan… Elle était également productrice de ce dernier film.
En 2008, Uma est à l'affiche de La vie devant les yeux de Vadim Perelman, avec Evan Rachel Wood. On la retrouve début 2010 à l'affiche de Percy Jackson, voleur de foudre de Chris Colombus. En 2011, elle fait partie du Jury du Festival de Cannes.
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