Après une formation à la danse classique, elle fit ses débuts au Stockholm’s Royal Dramatic Theatre, et dès les années 1940, eut des petits rôles de figuration dans quelques longs métrages pour le cinéma nordique.
En 1954, le réalisateur suédois Ingmar Bergman la découvre au théâtre municipal de Malmö, où elle joue La guerre de Troie n’aura pas lieu; il décide alors de la prendre sous son aile. Cette rencontre va constituer le véritable tremplin pour la carrière d’Ingrid Thulin. L’actrice va enchaîner les films d'Ingmar Bergman, et elle commence par Les Fraises sauvages en 1957 puis Au seuil de la vie, en 1958, où elle donne la réplique à Bibi Andersson et Eva Dahlbeck, rôle pour lequel elle va partager le prix d’interprétation féminine à Cannes avec les deux autres comédiennes. Elle tournera neuf films avec lui.
Lors de sa carrière, elle jouera toute une pléiade de rôles variés, souvent difficiles et émouvants, comme la compagne d’un charlatan dans Le Visage (1958), une institutrice athée amoureuse d’un pasteur doutant de Dieu dans Les Communiants (1963), une malade alcoolique s’adonnant aux plaisirs solitaires dans Le Silence (1963), l’une des trois sœurs de Cris et chuchotements (1973).
Ingrid Thulin a aussi participé à des productions internationales à partir des années 1960 comme Les Quatre Cavaliers de l'Apocalypse de Vincente Minnelli, La guerre est finie d’Alain Resnais qui en fit son actrice fétiche, et Les Damnés de Luchino Visconti.
En 1991, La Maison du sourire (La casa del Sorriso), de Marco Ferreri, marque la fin de sa carrière d’actrice.
Elle réalisa aussi quelques films et participa à quelques pièces de théâtre à Broadway (New York).
Résidant à Rome depuis 1964, elle est rentrée dans son pays natal en janvier 2003 pour faire traiter son cancer. Elle en meurt, à Stockholm, le 7 janvier 2004.