Ulrich Thomsen graduou-se na Escola Nacional Dinamarquesa de Teatro e Dança Contemporânea em 1993, após o qual atuou em vários teatros em Copenhague, como Dr. Dantes Aveny, Mungo Park e Østre Gasværks Teater. Sua estreia no cinema foi em Nattevagten (1994), de Ole Bornedal. Desde então, vários papéis em, entre outros, The Biggest Heroes de Thomas Vinterberg (1996), Credo de Susanne Bier (1997) e Luzes Flickering de Anders Thomas Jensen (2000). No entanto, o grande avanço veio com o filme The Celebration (1998) de Thomas Vinterberg, interpretando o papel de Christian, o filho. Essa atuação o tornou conhecido fora da Dinamarca, o que lhe valeu um papel de bandido no filme de James Bond, The World Is Not Enough (1999) e um papel no filme inglês Killing Me Softly (2002).
