Liv Johanne Ullmann ble født 16. desember 1938 i Tokyo i Japan. Hennes far var Erik Viggo Ullmann (1907–1945), en norsk sivilingeniør som jobbet i Tokyo på den tiden. Hennes mor var bokhandleren Janna Ullmann (født Erbe Lund; 1910–1996), som også var norsk. Hun har også storesøsteren Janna Erika Ullmann (født september 1936). De hadde flyttet fra Trondheim til Tokyo i mai 1937 da faren ble tilbudt arbeid der. Etter okkupasjonen av Norge i 1940 dro familien til utposten Little Norway i Toronto, Canada, hvor faren jobbet i den norske luftstyrken under andre verdenskrig. I juni 1945 døde han av hjernesvulst som han fikk etter krigsskader i 1943. Ullmann har sagt at farens dødsfall formet henne som skuespiller, og hun fikk oppfatningen av at alle menn var som han.