Tuba Büyüküstün 5 Temmuz 1982 yılında İstanbul'da doğdu. İstanbul Özel Doğuş Okulları'ndan ve Mimar Sinan Güzel Sanatlar Üniversitesi, Sahne Dekorları ve Kostüm Tasarımı bölümünden mezun oldu.
Üniversitede okurken reklam filmlerinde oynamayı kabul eden Büyüküstün, üniversiteyi bitirdikten sonra yönetmen Tomris Giritlioğlu sayesinde televizyon dünyasına adım attı.
2003 yılında Aydın Bulut’un yönettiği ve Kanal D'de yayınlanan Sultan Makamı adlı dizinin son 4 bölümünde oynarak, dizi oyunculuğuna başladı.
2004 yılında Çağan Irmak’ın yönettiği ve Kanal D'de yayınlanan Çemberimde Gül Oya adlı dizide Zarife karakterini canlandırarak adından söz ettirdi.
Yine aynı yıl Cemal Şan’ın yönettiği Gülizar adlı televizyon filminde Gülizar karakterini canlandıran Büyüküstün, bu rolüyle Sırbistan Karadağ Cumhuriyeti Uluslararası TV Festival Bar'da En İyi Kadın Oyuncu ödülünü aldı.[
2005 yılında Aydın Bulut'un yönettiği ve Kanal D'de yayınlanan Ihlamurlar Altında adlı dizide Bülent İnal ve Sinan Tuzcu ile başrolü paylaşarak, büyük bir çıkış yaptı.
Aynı yıllarda Çemberimde Gül Oya, Ihlamurlar Altında, Asi gibi dizilerinin Arap televizyonlarında gösterilmesiyle birlikte, Ortadoğu'da büyük bir üne kavuştu ve Türk dizilerinin yurt dışına ihracında önemli bir rol oynadı.
Başrolünü oynadığı Asi dizisi 67 ülkedeki izlenme oranlarıyla, 51. Monte-Carlo Televizyon Festivali'nde En İyi Pembe Dizi kategorisinde aday gösterildi.
2010 yılında Yusuf Kurçenli'nin yönettiği Yüreğine Sor filmiyle sinemada ilk başrolünü oynadı. Daha sonra Gönülçelen adlı dizide, Cansel Elçin'le birlikte başrolü paylaştı.
Güzel oyuncunun hayranları onu sanal alemde de desteklemeye devam ediyor. Öyle ki Büyüküstün'ün Facebook'taki fan sayısı 972.646...
Bu rakam en yakın rakibi beren Saat'in neredeyse 3 katı. Çünkü Saat'in Facebook'daki fan sayısı henüz 354.903...
28 Temmuz 2011 tarihinde Fransa'da kendisi gibi oyuncu olan Onur Saylak ile evlenen Tuba Büyüküstün, 19 Ocak 2012 tarihinde ikiz kızlarını dünyaya getirdi. Bir süredir ekranlarda görünmeyen güzel oyuncu şu sıralar '20 Dakika' isimli diziyle ekranlara dönmek için gün sayıyor...