Ulrich Thomsen se licenció en la Escuela Nacional de Arte Dramático en 1993. Comenzó su carrera cinematográfica interpretando a un violento ángel del infierno en la película de Ole Bornedal La sombra de la noche (1994) y obtuvo su primer papel importante en Portland (1996), de Niels Arden Oplev. El mismo año consiguió su primer papel protagonista en Héroes, de Thomas Vinterberg, papel por el que consiguió un premio de la Academia de Cine Danesa. En 1998, Ulrich Thomsen saltó a la palestra internacional con su interpretación de Christian en la aclamada y premiada película de Thomas Vinterberg Celebración (1998), trabajo por el que le fueron otorgados un premio de la Academia de Cine Danesa y el Bodil de la crítica de cine del mismo país.

Tras este éxito, Ulrich Thomsen intervino en la película de James Bond El mundo nunca es suficiente (1999).

Ulrich Thomsen también ha protagonizado el corto ganador de un Oscar Election Night (1998), de Anders Thomas Jensen, así como Flickering Lights (2000), y la película inglesa Suavemente me mata (2002), en cuyo reparto figuran asimismo Heather Graham y Joseph Fiennes.

En Herencia (2003) interpretó el papel principal de Christoffer, que hereda la acería de la familia, rol por el que volvió a ganar el premio de la Academia de Cine Danesa y el Bodil de la crítica cinematográfica.

Recientemente, Ulrich Thomsen ha actuado en El Reino de los Cielos, película de Ridley Scott, con Orlando Bloom, Liam Neeson y Jeremy Irons, que está previsto que se estrene en mayo de 2005.