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