Liv Ullmann, die Tochter eines in Japan tätigen norwegischen Ingenieurs, kehrt nach Kriegsbeginn nach Norwegen zurück und beginnt nach der Schule eine Schauspielausbildung, zuerst in Trondheim, später in London. Ende der Fünfzigerjahre startet sie eine Bühnenkarriere in Stavanger, die sie 1960 ans Osloer Nationaltheater führt. Bekannt wird Liv Ullmann als Darstellerin unter Regisseur Ingmar Bergman. In "Persona" (1966) versinkt sie als Bühnenschauspielerin Elisabeth Vogler nach einer "Elektra"-Aufführung in Apathie. Die behandelnde Ärztin stellt der stummen Frau ihr Sommerhaus zur Verfügung und gibt ihr die junge Krankenschwester Alma alias Bibi Andersson mit. Zwischen den Frauen entsteht eine sehr innige, intime Beziehung, doch von Elisabeth, die ihr Schweigen nicht bricht, geht eine suggestive Macht aus, die die andere zerstört.
Ingmar Bergmans "Persona" ist der erste große Film der damals bereits bekannten Bühnenschauspielerin Liv Ullmann. Der Regisseur wird ihr Lebenspartner und macht sie zum Star. Weitere gemeinsame Filme entstehen, die Liv Ullmann auch international berühmt machen. Es sind komplex angelegte Studien über starke Frauen in zerstörerischen Krisensituationen: "Die Stunde des Wolfs" (1966), "Schande" (1968), "Passion" (1969), "Schreie und Flüstern" (1972), "Szenen einer Ehe" (1973), "Von Angesicht zu Angesicht" (1975), "Das Schlangenei" (1977), "Herbstsonate" (1978), sowie drei Dokumentarfilme.
Für die Rolle der Eva Rosenberg in Bergmans "Schande" wird sie als beste schwedische Schauspielerin ausgezeichnet, für ihre Leistungen in "Schreie und Flüstern" und "Szenen einer Ehe", wo sie sich mit ihrem Film-Ehemann Erland Josephson einen sechsstündigen Ehekrieg liefert, erhält sie den Preis der New Yorker Filmkritik. Und drei Jahre später kann Bergman dank der Produktionshilfe von Dino de Laurentiis erneut einen langen Kino/Fernsehfilm mit Josephson und Ullmann drehen. "Von Angesicht zu Angesicht" wird wiederum von der New Yorker Filmkritik gefeiert. Liv Ullmann wird für den Oscar vorgeschlagen (wie bereits 1972 für Jan Troells Epos "Die Neubürger").
Neben ihren berühmten Auftritten in den Bergman-Filmen ist sie aber auch bei zahlreichen anderen bekannten Regisseuren zu sehen. In Michael Andersons "Papst Johanna" (1971), in Charles Jarrots Musical-Remake von Shangri-La "Der verlorene Horizont" (1972), bei Jan Troell in dem Zweiteiler "Die Neubürger" (1972) und "Das neue Land" (1973), sowie in "Zandys Braut" (1974). Sie ist mit zahlreichen großen internationalen Stars bei Richard Attenboroughs "Die Brücke von Arnheim" (1977) dabei, wie sie überhaupt Partnerin vieler bekannter Schauspieler ist. 1992 spielt sie in Sven Nykvists Regiedebüt "Der Ochse", im gleichen Jahr dreht sie auch ihren ersten eigenen Film als Regisseurin, "Sofie", die unglückliche Ehegeschichte einer dänischen Jüdin Ende des 19. Jahrhunderts.
Weitere Filme mit Liv Ullmann: "Die Auswanderer" (1969), "Kalter Schweiß", "Der unheimliche Besucher" (beide 1970), "Vierzig Karat" (1973), "Gefährliche Züge" (1983), "Das nächste Opfer" (1984), "Hoffen wir, dass es ein Mädchen wird" (1985), "Moskau - Schalom", "Gaby - Eine wahre Geschichte" (beide 1987), "Der Rosengarten" (1989), Bernt Capras "Wendezeit" (1990), "Sarabande" (2002), "The Danish Poet" (Erzählerin, 2006), "I et speil i en gåte (2008), "Zwei Leben" (2012). 1995 entsteht ihr zweiter Film "Kristin Lavranstochter", 1999 folgte ihre dritte Regiearbeit "Die Treulosen". Liv Ullmann hat eine Tochter von Ingmar Bergman.