Rares sont les Norvégiennes qui sont nées à Tokyo. C'est pourtant le cas de Liv Ullmann. Enfant, elle n'a pas arrêtée de bouger avec sa famille afin de fuir la guerre. Elle a donc passé ses premières années entre la Norvège, le Japon, le Canada et les Etats-Unis. Adolescente, elle quitte la Norvège pour suivre des cours d'art dramatique à Londres, contre l'avis de ses parents.

De retour en Norvège, elle se lance dans la comédie au Théâtre National d'Oslo. Elle débute sa carrière cinématographique dès 1957, à dix sept ans. Après quelques rôles, elle se fait remarquer par Ingmar Bergman qui est frappé par sa ressemblance avec l'actrice Bibi Andersson. Il l'engage alors pour le sublime Persona (1966) qui marque le début de la relation professionnelle et personnelle entre les deux individus. Liv Ullmann devient la muse du grand Bergman. Ensemble, ils tournent L'Heure du loup (1967), La Honte (1968), Une Passion (1969), Cris et chuchotements (1972), Scènes de la vie conjugale (1973), Face-à-face (1976), L'Oeuf du serpent (1977), Sonate d'automne (1978) et Saraband (2004).

Leur fructueuse relation/collaboration a vu naître presqu'autant de films que de chefs d'oeuvre ainsi qu'une petite fille, Linn Ullmann. Les deux êtres ont semblés pendant longtemps indissociables, le maître suédois n'avait pas son pareil pour mettre en scène la beauté de l'actrice norvégienne. Chacun a nourri la légende de l'autre.

La collaboration Ullmann/Bergman constitue bien évidemment la part la plus importante de la carrière d'actrice de Liv, mais celle-ci ne se limite tout de même pas à cela. Fidèle à son pays d'origine, elle tourne de nombreux longs métrages en Norvège avec notamment An-Magritt (1969) et Oxen (1991). Liv Ullmann a jouée dans trois films d'Anthony Harvey (le monteur de Lolita et Docteur Folamour de Stanley Kubrick), The Abdication (1974), Players (1979) et Richard's things (1980).

Habituée depuis son plus jeune âge, Liv Ulmann a beaucoup voyagée. Elle a tournée Jeanne, papesse du diable (1972) en Angleterre, Un printemps sous la neige (1984) au Canada, La Diagonale du fou (1984) en France, The Wild Duck (1983) en Australie. Elle a à son actif également quelques films italiens, dont une collaboration avec Mario Monicelli pour Pourvu que ce soit une fille (1986). Son expérience américaine est plus prolifique avec notamment Un Pont trop loin (1977) de Richard Attenborough, et 40 Carats (1973) de Milton Katselas.

Liv Ullmann a également une carrière de réalisatrice. Elle est metteur en scène sur un segment de deux films à sketches Love (1982) et Lumière et compagnie (1995). Elle a eu un certain succès pour son long métrage Sofie (1994) dans lequel elle dirige Erland Josephson. Les deux sont d'ailleurs l'objet d'un documentaire d'Alexandre Barry, Parce que c'était eux (2004). Elle tourne ses deux derniers longs métrages sur des scénarios d'Ingmar Bergman, Entretiens privés (1996) et Infidèle (2000). Ce dernier a eu l'honneur d'une sélection en compétition lors du 53ème Festival de Cannes. Cannes, où elle est de retour dès l'année suivante, en 2001, pour être la présidente du Jury du Festival.

Trente ans après Scènes de la vie conjugale (1973), le cinéaste Ingmar Bergman - dont ce sera le dernier long-métrage avant sa disparition en 2007 - fait revivre une dernière fois à l'écran le couple Marianne/Johan dans Saraband (2003). Puis, comme pour clore le chapitre de leur relation fusionnelle, le documentaire Liv & Ingmar (2013) revient sur la passion des deux amants à travers le regard de Liv Ullmann, qui, dans son propre rôle, parcourt avec tendresse et nostalgie le chemin pas toujours rectiligne qu'elle a sillonné aux côtés du réalisateur suédois.

En 2014, elle incarne Ase Evensen, la mère de Juliane Köhler dans le thriller politique D'une vie à l'autre, et revient sur le devant de la scène en réalisant Mademoiselle Julie, où elle met en scène Jessica Chastain dans le rôle d'une aristocrate qui, un soir de fête, va devenir la maîtresse du valet de son père.