Tuba Büyüküstün Mimar Sinan Güzel Sanatlar Üniversitesi, Sahne Dekorları ve Kostüm Tasarımı bölümünü bitirmiştir. Üniversite eğitimi sırasında reklam filmlerinde rol aldı. Üniversiteyi bitirdikten sonra ise yönetmen Tomris Giritlioğlu'nun desteğiyle oyunculuğa başladı. 2004 yılında Çağan Irmak’ın yönettiği "Çemberimde Gül Oya" dizisinde "Zarife" karakterini canlandırdı. 2005 yılında Aydın Bulut'un yönetmeni olduğu "Ihlamurlar Altında" adlı dizide Bülent İnal ve Sinan Tuzcu ile başrolü paylaşarak çıkış yakaladı. Aynı yıl "Babam ve Oğlum" adlı sinema filminde "Aysun" karakterini oynayarak sinemaya adım attı. "Asi" adlı dizide "Asi" karakterini canlandırarak Murat Yıldırım ve Çetin Tekindor ile başrolü paylaştı. Aynı yıllarda "Çemberimde Gül Oya", "Ihlamurlar Altında", "Asi" gibi dizilerinin Arap televizyonlarında gösterilmesiyle, Ortadoğu'da büyük bir seven kitlesine ulaştı. 2013’te İlker Aksum ile birlikte başrolü paylaştığı "20 Dakika" dizisindeki rolüyle 42. Uluslararası Emmy Ödülleri'nde En İyi Kadın Oyuncu kategorisine aday gösterilerek Emmy'e aday olabilen ilk Türk oyuncu oldu. Daha sonra sinemaya ağırlık veren güzel oyuncu, "Rüzgarın Hatıraları" (201) ve "Dar Elbise" (Tight Dress) (2016) filmlerinde rol aldı. 2016 yılında ise ünlü yönetmen Ferzan Özpetek'in "İstanbul Kırmızısı" filminde Halit Ergenç, Mehmet Günsür, Nejat İşler gibi oyuncularla birlikte başrolü paylaştı. 2011’de Paris'te oyuncu Onur Saylak ile dünya evine girdi. 19 Ocak 2012'de Toprak ve Maya adlarında ikiz kızlarını dünyaya getirdi.