Ulliel inició su carrera de niño, con papeles en producciones para la televisión, que le dieron un destaque y lo llevaron al cine francés. De joven, a la par de su trabajo como modelo, con la que realizó campañas para importantes marcas de moda, fue notado por Hollywood y protagonizó la cinta Hannibal: El origen del mal, acerca de los inicios de Hannibal Lecter.
Otra de las cintas en la que ofició con el rol protagónico fue Saint Laurent, en la que interpretó al diseñador francés fundador de la marca de moda. Asimismo, llegó a ser reconocido en dos ocasiones con el premio Cesar, la principal premiación del cine galo. La primera, en el 2005, como actor más prometedor, por Largo domingo de noviazgo, y la segunda, en el 2017, como mejor intérprete masculino, por Sólo el fin del mundo.
La recientemente anunciada serie de Marvel sobre el héroe Moon Knight, que estrenará a finales de marzo en la plataforma Disney +, será una de las últimas producciones donde podrá verse a Ulliel, al igual que la cinta francesa Plus que jamais, que aún no cuenta con fecha de estreno.