Nato da una famiglia di stilisti, Ulliel compie la sua prima comparsa come attore durante gli studi liceali, nella serie televisiva Une femme en blanc. Ha studiato cinematografia presso l'Università di Saint-Denis.

Dopo aver recitato in vari telefilm come Juliette e Julien L'apprenti, entra nel cast del lungometraggio Alias (1999), il suo primo film.

Nominato nel 2003 per Embrassez qui vous voudrez e nel 2004 per Les égarés, nel 2005 ha infine vinto il Premio César per la migliore promessa maschile con Una lunga domenica di passioni di Jean-Pierre Jeunet, dove recita a fianco di Audrey Tautou.

In seguito ha indossato i panni del celebre criminologo cannibale Hannibal Lecter nel film Hannibal Lecter - Le origini del male, tratto dall'omonimo romanzo di Thomas Harris ed uscito nelle sale mondiali il 9 febbraio 2007.