Posteriormente se matriculó en el Conservatorio de Arte Dramático, donde destacó como alumna brillante.

Viajó a Suecia y en Estocolmo conoció al director de cine Ingmar Bergman, quien la contrató en 1966 para la película Persona dónde actuó junto a Bibi Andersson y Gunnar Björnstrand.

Cuando las relaciones entre ambos se fueron enfriando, Ullmann siguió su trayectoria como actriz, no obstante, rodando películas de Bergman, hasta un total de once, entre ellas La hora del lobo, en 1967 actuando junto a Erland Josephson y Max Von Sydow; y Pasión, en 1969 también protagonizando junto a Sydow.

También ha protagonizado la película Leonor de 1975 dirigida por el director español Luis Buñuel, actuando junto a Michel Piccoli y Ornella Muti.

Protagonizó la película italiana Adiós, Moscú dirigida por Mauro Bolognini junto a Francesca Ciardi y Daniel Olbrychski, papel que le valió un reconocimiento a Mejor Actriz en los Premios David de Donatello.

El filme, coprotagonizado con Michael York y dirigido por Vilmos Zsigmond la película se llamó The long shadow.

Durante el mismo año, protagonizó con Max Von Sydow y Ewa Froling la película The Ox, a las órdenes de Sven Nykvist.

La película, lanzada en septiembre de 2014, está protagonizada por Jessica Chastain, Colin Farrell y Samantha Morton.

[8]​ Más tarde ese año, Steven Soderbergh escribió un papel en la película Ocean's 12 especialmente para ella, pero también lo rechazó.

«Significó diferentes cosas para mí, y ya sabía que era muy importante, pero no tanto.

Nunca se vendió a Hollywood, y yo admiraba eso», señaló Ullmann.

Viajó desde entonces tanto por países del Tercer Mundo como por los desarrollados, buscando en estos últimos una mayor ayuda económica para la organización.

A la vez, es representante del Alto Comisionado de las Naciones Unidas para los Refugiados (ACNUR).

[12]​[13]​ Además del noruego, Ullmann habla sueco, inglés y otros idiomas europeos.

Obtuvo el Globo de Oro a la mejor actriz - Drama por Los emigrantes y fue candidata cuatro veces.