Après son service militaire, Ulrich Mühe suit des cours à l'école de théâtre « Hans Otto » de Leipzig à partir de 1975, et ce jusqu'en 1979. Après ses études, Mühe est engagé au « Städtisches Theater » de Karl-Marx-Stadt. Puis en 1982, il est invité par Heiner Müller à rejoindre sa troupe à Berlin. En 1983, il rejoint le Théâtre National de Berlin, où il convainc les spectateurs, dans des rôles comme Egmont de Goethe en 1986, Philotas ou le patriarche de Nathan le sage de Lessing en 1988. Il se distingue en particulier dans le rôle d'Hamlet mis en scène par Heiner Müller en 1989.
Depuis 1983, Mühe a joué dans divers films et téléfilms. Il incarne notamment Theodor Lohse dans Das Spinnennetz (La toile d'araignée), film dénonçant le conformisme et l'arrivisme meurtrier des dirigeants du parti nazi.
Militant inactif de la fin du régime de la RDA, il fut l'un des organisateurs de la manifestation du 4 novembre 1989 sur l'Alexanderplatz de Berlin.
Marié en secondes noces, de 1984 à 1990, à la comédienne Jenny Gröllmann avec laquelle il eut son troisième enfant, l'actrice Anna Maria Mühe, Ulrich Mühe épouse ensuite une autre comédienne, Susanne Lothar. Il vécut avec elle et leurs deux enfants, Sophie Marie et Jacob, à Berlin.
Au cinéma, aux côtés de son épouse
Susanne Lothar, il joue dans Le Château (1996) et dans
Funny Games (1997). En 2001, il est le terrible docteur toxicomane nazi inspiré de Mengele dans le Amen. de
Costa-Gavras.
En 2006, il incarne un agent de la Stasi, Gerd Wiesler, dans
La Vie des autres de
Florian Henckel von Donnersmarck. Ce film ayant bouleversé le public constitue sa consécration mondiale. Ce rôle lui a d'ailleurs valu le prix du meilleur acteur principal du film allemand et le prix du meilleur acteur du film européen en 2006, ainsi que le prix Goldene Henne (La Poule d'Or). En 2007, le film reçoit l'Oscar du meilleur film en langue étrangère. Ulrich Mühe se savait alors déjà condamné par sa maladie.
À l'occasion d'entretiens sur le film, il a évoqué les contacts informels supposés de sa deuxième épouse Jenny Gröllmann avec la Stasi. Celle-ci a porté plainte devant le tribunal régional de Berlin contre l'éditeur du recueil d'entretiens et contre Mühe lui-même. Lors du procès, elle a témoigné sous serment qu'elle n'avait jamais collaboré en connaissance de cause avec le ministère de la sûreté de l'État. Faute de preuve du contraire, la cour s'est prononcée en faveur de Jenny Gröllmann et a interdit la diffusion de l'ouvrage. L'appel de Mühe a été rejeté par la cour.
Ulrich Mühe est mort le 22 juillet 2007 à Walbeck (Saxe-Anhalt), des suites d'un cancer de l'estomac.