Byla dcera rybáře, s rodinou se přestěhovali ze severu Švédska do hlavního města. Věnovala se baletu, ale láska k divadlu ji přinutila ke vstupu do Královského dramatického divadla ve Stockholmu. Začala hrát i ve filmu. Účást v hollywoodském snímku FOREIGN INTRIQUE roku 1956 jí ještě popularitu nepřinesla, ale příští rok se objevila v LESNÍCH JAHODÁCH, což znamenalo zlom v její doposud nevýrazné filmové kariéře.
Thulinová byla dvakrát vdaná, třikrát se postavila za kameru, hrála ve filmech nejrůznějších žánrů a kvalit, navždy však bude známá hlavně jako Bergmanova herečka. Kvůli léčbě se vrátila do Švédska, rakovině však podlehla tři týdny před svými sedmdesátýmiosmými narozeninami.