Attrice. Frequenta i corsi del Reale Teatro Drammatico a Stoccolma. Inizia l'attività in teatro, con i lavori di Lagerloff e Anouilh, distinguendosi con l'interpretazione di Anita nel Peer Gynt di Ibsen. A lanciarla sul grande schermo è Ingmar Bergman. Conosce la fama con "Il posto delle fragole" (1957), quando il film vince l'Orso d'oro al Festival di Berlino. Dopo questo successo la Thulin diviene una sorta di Musa per il maestro svedese. Sempre con Bergman interpreta, fra gli altri, "Alle soglie della vita" (con cui vince il premio come migliore attrice al Festival di Cannes)," Luci d'inverno", "Il silenzio", "Sussurri e grida", "L'ora del lupo" e "Dopo la prova". Lavora con profitto anche con altri registi: per Mai Zetterling è la protagonista di "Giochi di notte" (1966), che fa scalpore alla Mostra del Cinema di Venezia. In Francia gira con Vincente Minnelli "I quattro cavalieri dell'Apocalisse" e con Alain Resnais "La guerra è finita". Nel 1962 approda in Italia per girare Agostino, di Mauro Bolognini. Lavora anche con Luchino Visconti in "La caduta degli dei", con Giuliano Montaldo in "Agnese va a morire" e con Tinto Brass per "Salon Kitty". L'ultima sua interpretazione in Italia è"La casa del sorriso" di Marco Ferreri, con cui nel 1991 vince l'Orso d'oro al Festival di Berlino. Nel 1978 debutta dietro la macchina da presa dirigendo, con Erland Josephson e Sven Nykvist, "Noi due, una coppia". Tre anni dopo realizza "Cielo spezzato".Dopo una lunga malattia, l'attrice svedese muore a Stoccolma a 77 anni. Da oltre venti anni aveva stabilito la sua residenza a Sacrofano, nei pressi di Roma, ma negli ultimi tempi era tornata in Svezia per sottoporsi a delle cure mediche.