Laureato alla Danish National School of Theatre and Contemporary Dance nel 1993, Thomsen debutta a teatro nello stesso anno per poi esordire davanti alla macchina da presa nel 1994 con Il guardiano della notte. La pellicola è un thriller di successo che avrà un remake statunitense diretto dallo stesso Ole Bornedal con Nick Nolte. Thomsen è ancora poco più che un figurante. Apparirà successivamente in diversi prodotti televisivi e in film nazionali come Café Hector (1996) e Sekten (1997).
Il successo con Festen
Nel 1998 appare invece in Festen di Thomas Vinterberg. Il film, che segue i canoni del Dogma ideato da Lars Von Trier, è uno dei pochi esempi rimarcabili del dogma al di là delle opere di Von Trier. Thomsen interpreta Christien, un proprietario di ristorante in Francia che scandalizza l'intera famiglia. Il ruolo lo rende rapidamente noto al grande pubblico, al punto che appare in grandi produzioni hollywoodiane. Se Hollywood lo richiederà principalmente per alcuni ruoli secondari soprattutto in film thriller, in Danimarca sarà rapidamente considerato un attore feticcio. Nel 1999 è Davidov nel James Bond con Pierce Brosnan, Il mondo non basta. Nel 2000 appare invece nel poco diffuso thriller di Kathryn Bigelow, Il mistero dell'acqua. Nel 2001 torna ai lavori artistici apparendo nella commedia Bella Martha, dove recita accanto a Sergio Castellitto. Sarà nello stesso anno nel danese P.O.V. Point of view. Nel 2002 appare invece in Killing Me Softly, accanto a Heather Graham e Joseph Fiennes. E' poi in Max (2003), nel nuovo film che segue i dettami del Dogma L'eredità (2003), diretto da Per Fly.
Una carriera internazionale
Abilmente Ulrich Thomsen riesce ad alternare piccole produzioni danesi con grandi blockbuster hollywoodiani. Nel 2004 è in Non desiderare la donna d'altri, dramma sentimentale che parte dlala vicenda di un soldato danese catturato in Afghanistan. Il 2005 lo vede invece protagonista del film di Cristoffer Boe, Allegro, dove interpreta un uomo tormentato dal suo passato che riesce a materializzare misteriosamente in una "zona" dai muri invisibili. Nel 2005 appare invece nel piccolo Le mele di Adamo ma anche ne Le crociate di Ridley Scott. Nel 2008 interpreta invece un ruolo nel divertente film d'azione Hitman, diretto da Xavier Gens per poi essere nel thriller The Broken (2008). Con il 2009 appare in Lulu & Jimi e nel thriller a sfondo politico-finanziario The International, girato a Berlino, New York, Istanbul e Milano, accanto a Naomi Watts e Clive Owen.
Gli ultimi lavori
Negli ultimi anni Thomsen ha preso parte a tre interessanti produzioni cinematografiche: Centurion (2010), The silence (2010) e In un mondo migliore (2010). Nel 2011 è nel cast del film d'avventura L'ultimo dei templari, al fianco di Nicolas Cage e nel thriller La cosa, di Matthijs van Heijningen Jr.. Lavora per Susanne Bier in Second Chance e torna a collaborare con Vinterberg per il film The Commune, presentato alla Berlinale 2016.
