Tuba Büyüküstün 5 Temmuz 1982 yılında İstanbul dünyaya geldi. Lise eğitimini Özel Doğuş Koleji'nde gördükten sonra Mimar Sinan Güzel Sanatlar Üniversitesi, Sahne Dekorları ve Kostüm Tasarımı Bölümü'nden mezun oldu.
Dizi oyunculuğuna ilk olarak 2003 yılında Sultan Makamı adlı dizinin son 4 bölümünde oynarak başladı. 2004 yılında Çemberimde Gül Oya adlı dizide Zarife karakterini canlandırarak adından söz ettirdi. Sırbistan Karadağ Cumhuriyeti Uluslararası TV Festival Bar'da En İyi Kadın Oyuncu ödülünü Gülizar adlı televizyon filmindeki performansıyla almaya hak kazandı. Büyük çıkışını Kanal D'de yayınlanan Ihlamurlar Altında adlı dizide oynayarak yaşadı. Sinemaya ilk adımını Çağan Irmak'ın yönettiği "Babam ve Oğlum" filmindeki Aysun karaktetriyle attı. 2006 yılında Ömer Faruk Sorak'ın yönettiği Sınav adlı sinema filminde oynayan Büyüküstün, bu filmde ünlü oyuncu Jean-Claude Van Damme ile çalışma fırsatı yakaladı.
2007 yılında Antakya'da çekilen "Asi" dizisinde Murat Yıldırım ve Çetin Tekindor'la başrolü paylaştı. 2010 yılında "Yüreğine Sor" filmiyle sinemada ilk başrolünü oynadı. Sinema filminin ardından Gönülçelen adlı dizide, Cansel Elçin'le birlikte başrolü paylaştı. 2013 yılında Star TV'de yayınlanmaya başlayan 20 Dakika adlı dizide İlker Aksum ile birlikte başrolü paylaşarak, 1,5 yıl ara verdiği ekranlara geri döndü.
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
28 Temmuz 2011 tarihinde Fransa'da kendisi gibi oyuncu olan Onur Saylak ile evlendi. 19 Ocak 2012 tarihinde ikiz kızlarını dünyaya getirdi.
