Après une formation d'ouvrier en bâtiment, Ulrich Mühe se lance dans la comédie à partir du milieu des années 70. Il fait beaucoup de théâtre, notamment à Leipzig et Berlin, puis devient une figure importante du petit écran en Allemagne. Si sa carrière est surtout partagée entre la scène et la télévision, ce militant de la fin du régime de la RDA n'en oublie pas pour autant le septième art. Il joue ainsi deux fois sous la direction de Michael Haneke (Benny's Video, 1992; Funny Games, 1997), qui l'emploie également pour le téléfilm Le Château. Il apparaît également au générique du Amen de Costa-Gavras, en 2002.

Vedette de la populaire série allemande Le Dernier témoin à partir de 1998, Ulrich Mühe connaît la consécration internationale en 2006 avec le plébiscité long-métrage politique La Vie des autres de Florian Henckel von Donnersmarck, Oscar du Meilleur film étranger en 2007, aussi bien acclamé par la critique que par le public. Son très beau rôle d'un agent de la Stasi qui s'humanise peu à peu en surveillant un couple d'intellectuels est-allemand marque les esprits : il remporte le Prix du Meilleur acteur aux European Film Awards et le Prix du Meilleur acteur aux German Awards, l'équivalent allemand des César.