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.
Byl to počátek dlouholeté spolupráce s tvůrcem Ingmarem Bergmanem. Brzy poté byla vedena jeho režisérskou taktovkou opět, a to ve TVÁŘI a v NEŽ SE ROZEDNÍ, tento film jí vynesl cenu na festivalu v Cannes. Roku 1962, respektive 1963, vytvořila další ze svých nejvýznamnějších rolí, které jí opět poskytl Bergman. Jedná se o HOSTÉ VEČEŘE PÁNĚ a MLČENÍ, za které získala ocenění Guldbagge v prvním ročníku udílení této švédské filmové ceny. S příchodem čtyřicítky se začala výrazněji prosazovat i ve filmech jiných režisérů. Alain Resnais ji obsadil do dramatu VÁLKA SKONČILA, za její nejslavnější "mimobergmanovku" můžeme ale považovat až SOUMRAK BOHŮ Luchina Viscontiho. Přestože žila v Římě, tak se ještě několikrát sešla kvůli natáčení s mužem, jemuž vděčí za místo na filmovém výsluní. Za zmínku stojí vedlejší role v HODINĚ VLKŮ a ŠEPOTY A VÝKŘIKY, kde si vysloužila Donatellova Davida. Katastrofický (žánrové zařazení, nikoliv hodnocení) PŘEJEZD KASSANDRA lze chápat jako její poslední známý film.
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.
