Thulin filmdebuterte i den svenske filmen (1948). Hun hadde etter det sentrale roller i filmer som blant annet (1957), (1962), (1963), (1968) (1976) og (1976). Hun arbeidet flere år sammen med den kjente regissøren Ingmar Bergman. I 1970- og 1980-årene medvirket hun i en rekke italienske filmer. Hennes siste filmrolle var i den italienske dramafilmen , fra 1991.