Tuba Büyüküstün, 5 Temmuz 1982 tarihinde İstanbul’da dünyaya gelmiştir. Erzurumlu bir ailenin çocuğudur. Büyüküstün, İstanbul Özel Doğuş Okulları’ndan ve Mimar Sinan Üniversitesi Sahne Dekorları ve Kostüm Tasarımı bölümünden mezun oldu. Tuba Büyüküstün, Üniversitede okurken reklam filmlerinde rol almış ve yönetmen Tomris Giritlioğlu ile tanıştıktan sonra oyunculuğa başlamıştır. 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 Çemberimde Gül Oya adlı dizide Zarife karakterini canlandıran Tuba Büyüküstün, büyük bir şöhrete kavuştu 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 ödülüne layık görülmüştür.

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 yakaladı. Aynı yıl Babam ve Oğlum adlı sinema filminde kısa bir rol alarak sinemaya ilk adımını attı. 2006 yılında Ömer Faruk Sorak’ın yönettiği Sınav adlı sinema filminde oynadı. 2007 yılında Antakya’da çekilen, Cevdet Mercan’ın yönettiği ve Kanal D’de yayınlanan Asi adlı dizide Murat Yıldırım ve Çetin Tekindor’la başrolü paylaştı. Aynı yıllarda Çemberimde Gül Oya, Ihlamurlar Altında, Asi gibi dizilerinin Arap televizyonlarında gösterilmesiyle birlikte, Arap dünyasında büyük bir üne kavuştu ve Türk dizilerinin yurt dışına ihracında önemli bir rol oynadı.

2010 yılında Yusuf Kurçenli’nin yönettiği Yüreğine Sor filmiyle sinemada ilk başrolünü oynamış oldu. 2010 yılında atv’de yayınlanan Gönülçelen adlı dizide, Cansel Elçin’le birlikte başrolü paylaştı. Bu dizinin setinde Onur Saylak ile tanışan Büyüküstün, yakışıklı oyuncuyla dünya evine girdi.ekranlara 1,5 yıl ara veren Tuba Büyüksütün, 2013 yılının ilk günlerinde, Star TV’de yayınlanmaya başlayan 20 Dakika adlı dizide İlker Aksum ile birlikte başrolü paylaşarak ekranlara yeniden merhaba dedi. Bu dizideki rolüyle 42 Uluslararası Emmy Ödülleri’nde En İyi Kadın Oyuncu kategorisine aday gösterilerek emmy’e aday olabilen ilk Türk oyuncu oldu.