Née dans le canton de Berne dans une famille nombreuse (elle a cinq frères et soeurs) en Suisse, Ursula Andress s'envole pour Rome à 17 ans (en compagnie de son petit ami) pour y tenter sa chance dans le monde du cinéma. Sur place, elle multiplie les castings aux côtés d'une certaine Brigitte Bardot et débute sous la direction de Steno dans Un americano a Roma (1954) et Les Aventures et les amours de Casanova (1955), via deux petits rôles.

C'est en 1962, lorsque le premier James Bond, James Bond 007 contre Dr. No, sort en salles, qu'Ursula Andress accède à la notoriété, grâce notamment à la fameuse scène de la plage où elle apparaît aux côtés de Sean Connery vêtue d'un maillot de bain. Le jeune femme est immédiatement érigée au rang de sex symbol et se voit dans la foulée sollicitée pour jouer des personnages importants dans plusieurs films qui ne le sont pas moins.

Les années 1960 constituent ainsi sa décennie de prédilection : on la voit côtoyer Elvis Presley dans L'Idole d'Acapulco, Frank Sinatra dans Quatre du Texas ou encore Jean-Paul Belmondo dans Les Tribulations d'un Chinois en Chine, son premier film français. Variant les genres, Ursula Andress est à l'affiche du James Bond parodique Casino Royale, du film d'anticipation La Dixième Victime, du film de guerre Le Crépuscule des aigles, du western Soleil rouge et des films d'aventures exotiques La Déesse de feu et L'Étoile du Sud.

Durant les années 1970, Ursula Andress tourne surtout en Italie, comme en témoignent ses prestations dans La Dernière Chance, Ursula l'anti-gang, Défense de toucher, Les Sorciers de l'île aux singes et Africa Express. En 1981, la comédienne est à l'affiche du péplum Le Choc des Titans (qui donnera lieu à un remake en 2010), avec son compagnon du moment, Harry Hamlin.

Se faisant nettement plus rare sur les écrans dans les années 1980, 1990 et 2000, Ursula Andress peut tout de même être vue dans plusieurs séries (Pierre le Grand, Falcon Crest) et téléfilms (La Diva et le professeur, La Revanche d'Al Capone, La Caverne de la rose d'or 3 et 4). Sur grand écran, elle apparaît dans l'étrange film expérimental Cremaster 5 (1997) et le méconnu film suisse satirique Die Vogelpredigt (2005).

Ursula Andress a eu plusieurs compagnons dans sa vie, parmi lesquels James Dean jusqu'à la mort de l'acteur en 1955, le comédien-réalisateur John Derek, Jean-Paul Belmondo ou encore l'acteur Harry Hamlin.