Latar belakang Tuba Büyüküstün berasal dari Erzurum. Kakek-neneknya adalah imigran Turki. Pihak ibu keluarganya adalah imigran Turki dari Crimea. Sedangkan pihak ayahnya adalah imigran Turki dari Kreta, Yunani. Ia belajar kostum & desain di Universitas Mimar Sinan, dan lulus pada tahun 2004. Pada tanggal 28 Juli 2011, ia menikah dengan aktor Turki Onur Saylak di Paris, Prancis. Pada bulan Januari 2012, ia melahirkan anak kembar perempuan bernama Maya dan Toprak. Namun, pasangan ini berpisah pada tanggal 5 Juni 2017.

Dalam karirnya, Tuba Büyüküstün pertama kali muncul dalam iklan televisi sebelum debutnya dalam serial televisi pada tahun 2003 di empat episode terakhir Sultan Makamı, yang disutradarai oleh Aydın Bulut dan ditayangkan di Channel D. Peran seri berikutnya adalah Zarife dalam Çemberimde Gül Oya pada tahun 2004, yang disutradarai oleh Çağan Irmak dan ditayangkan di Channel D. Pada tahun 2005, ia membintangi serial Ihlamurlar Altında, yang disutradarai oleh Aydın Bulut dan membuatnya menjadi bintang di seluruh Timur Tengah. Peran berikutnya adalah karakter utama dalam drama televisi Asi pada tahun 2007-2009, bersama Murat Yıldırım dan Çetin Tekindor, yang disutradarai oleh Cevdet Mercan.

Pada tahun 2010, ia berakting bersama Cansel Elçin dalam serial Gönülçelen. Pada akhir tahun 2012, ia bermain bersama İlker Aksum dalam serial drama 20 Dakika (20 Menit), yang membuatnya mendapatkan nominasi untuk Penghargaan Emmy Internasional ke-42 untuk Aktris Terbaik. Tuba Büyüküstün ditunjuk sebagai duta baik hati UNICEF Turki pada tahun 2014, dan ia bermain bersama Engin Akyürek dalam serial 2014-2015 Kara Para Aşk (Cinta Uang Hitam). Serial berikutnya, yang menurut jadwalnya mulai ditayangkan pada tanggal 10 November 2016, berjudul Cesur ve Güzel (Berani dan Cantik). Ia berperan sebagai pemeran utama wanita, berlawanan dengan Kıvanç Tatlıtuğ. Pada tahun 2021, ia bermain dalam serial Mavi di Sefirin Kızı.

Selain karir televisi, Tuba Büyüküstün juga berperan dalam web series. Pada tahun 2020, ia memerankan Mara Branković dalam docudrama Rise of Empires: Ottoman yang diproduksi oleh Netflix. Pada tahun 2022, ia bermain dalam seri Netflix "Another Self".

Dalam karir filmnya, pada tahun 2004, ia memerankan karakter utama dalam film televisi Gülizar. Ia juga berperan sebagai Aysun dalam film terkenal Babam ve Oğlum, yang disutradarai oleh Çağan Irmak. Tuba Büyüküstün berperan sebagai seorang guru dalam film tahun 2006 berjudul Sınav (The Exam), di mana ia berkesempatan berakting bersama Jean-Claude Van Damme. Pada tahun 2010, peran utama pertamanya dalam sinema adalah sebagai Esma dalam film Yüreğine Sor karya Yusuf Kurçenli.

Selain itu, Tuba Büyüküstün juga merilis sebuah lagu berjudul "Sayenizde" pada tahun 2019, yang merupakan versi cover dari lagu tahun 1995 karya Ercan Saatçi.

Dengan prestasinya yang gemilang, Tuba Büyüküstün telah meraih beberapa penghargaan dan menjadi salah satu aktris paling populer dan terbayar tertinggi di Turki.