Kostja Ullmann commence sa carrière de comédien à l'âge de 11 ans au Théâtre Ernst Deutsch d'Hambourg. En 1998, il décroche un rôle dans la série télévisée Alphateam, sous la direction de Norbert Schultze Jr.. Après de nombreuses apparitions dans des séries télévisées, on lui confie un rôle récurrent dans la série très populaire Zwei Männer am Herd pour 1999 et 2000. Il apparaît aussi dans les courts métrages, Strandnähe de Till Endemann et Albtraum einer Ehe de Johannes Fabrick. Entre 2001 et 2003, Kostja Ullmann apparaît dans des productions TV comme dans Stahlnetz, Das Duo et Une Famille extra-large.
En 2003, il abandonne l?école d'art dramatique d?Hambourg, afin de tourner son premier long métrage
Summer Storm. En 2005, il tourne dans un épisode de la série Division criminelle (SOKO Köln). En août, il joue dans le film Heimliche Liebe - Der Schüler und die Postbotin. En septembre, il tourne avec Maren Kroymann le long métrage Verfolgt, dans lequel il joue un jeune délinquant de 16 ans qui crée une relation sadomasochiste avec son agent de probation. Le film remporte le Léopard d'or de la compétition Cinéastes du présent, au Festival de Locarno 2006.
En 2006 et 2007, il tourne dans plusieurs téléfilms comme : Troie, la cité du trésor perdu et Les Gammes de la vie. En 2008, il incarne le fils d'un officier de la Stasi dans Une jeunesse berlinoise. La même année, il interprète Lasse dans l?Entreprise de séduction.
En 2010 sortira "Les groupies ne restent pas pour le petit déjeuner", un film où il incarnera une rock star qui rencontre une jeune fille qui ne sait rien du groupe dans lequel il joue. La jeune fille est interprétée par Anna Fischer.