С вою актёрскую карьеру начал в 30 лет. В 1993 году окончил Государственную театральную школу Дании (Statens Teaterskole), после этого непродолжительное время играл в различных театрах.
В 1994 году получил первую роль в кино, в фильме «Ночное дежурство». Крупным успехом в карьере Томсена стала главная роль в фильме «Торжество» (1998).
За эту роль Томсен был удостоен своей первой номинации на премию Европейской академии киноискусств как «Лучший европейский актер». Помимо прочих наград фильм получил приз жюри в Каннах и стал популярной артхаусной картиной, закрепив успех эпохи «Догмы» в современном кино.
Ульрих Томсен работал со многими прославленными европейскими режиссерами. Это один из самых популярных европейских актеров, снявшийся более чем в 25 международных проектах.
Томсен снялся в двух художественных фильмах, участвовавших в конкурсной программе кинофестиваля Сандэнс – «Аллегро» (2005) и «Адамовы яблоки» (2005).
Среди международных проектов с участием Томсена такие художественные фильмы как «И целого мира мало» (1999), «Вес воды» (2000), «Убей меня нежно» (2001), «Макс» (2002), «Царство небесное» (2005) и другие.
На телевидении Томсен появился в качестве гостя в популярном сериале канала ВВС «Королева-девственница» (2006).
Среди его работ в кино, роли в таких фильмах, как «Портлэнд» (1996), «Кредо» (1997), «Ангел ночи» (1998), «Мерцающие огни» (2000), «Хранитель» (2001), «Точка зрения» (2001), «Клон» (2003), «Братья» (2004), «Опиум» (2007), «Хитмэн» (2007), «Интернационал» (2009), «Двойная игра» (2009), «Центурион» (2010), «Месть» (2010), «Время ведьм» (2010), «Нечто» (2011) и другие.