Hatice Tuba Büyüküstün, 5 Temmuz 1982'de İstanbul'da doğdu.
Ailesi Erzurum kökenli olan Büyüküstün, İstanbul Özel Doğuş Okulları'nda ortaöğrenimi tamamladı. Mimar Sinan Güzel Sanatlar Fakültesi'nde Sahne Dekorları ve Kostüm Tasarımı bölümünü kazanan Büyüküstün, bir yandan üniversite öğrenimine devam ederken bir yandan da reklam filmlerinde rol alarak TV dünyasına adımını attı.
Yönetmen Tomris Giritlioğlu sayesinde oyunculuğa başladı. 2003'te Aydın Bulut'un yönettiği Sultan Makamı dizisinin son bölümlerinde rol alarak oyunculuğa adım atan Büyüküstün, 2004'te Çağan Irmak'ın yönettiği ve 1980 dönemi öncesindeki Türkiye'nin farklı bakış açılarından hikayesini anlatan Çemberimde Gül Oya adlı dizide Zarife karakterini canlandırarak kariyerinde önemli bir adım attı.
2004 yılında Cemal Şan'ın yönettiği Gülizar filminde rol alan oyuncu, bu rolüyle Sırbistan Karadağ Cumhuriyeti Uluslararası TV Festival Bar'da En İyi Kadın Oyuncu ödülünü aldı.
Oyuncu aynı zamanda birçok reklam filminde de oynadı.
2005'te Ihlamurlar Altında adlı drama dizisinde başrolü oynadı ve aynı yıl Babam ve Oğlum adlı sinema filminde Aysun karakterini canlandıradak bir kez daha Çağan Irmak'la beraber çalışma şansı yakaladı.
2006'da komedi filmi Sınav sayesinde ünlü oyuncu Jean Claude Van Damme ile beraber çalışma fırsatını yakalayan Büyüküstün, 2007-2009 yılları arasında 71 bölüm olarak yayınlanan ve Cevdet Mercan tarafından yönetilen Asi adlı dizide, Asiye Doğan karakteri ile başrolde yer aldı.
Ihlamurlar Altında dizisiyle artan hayran kitlesi, Asi dizisiyle daha da arttı.
Büyüküstün, 26 Şubat 2010'da Atv'de yayınlanmaya başlayıp 24 Haziran 2011'de biten Gönülçelen adlı dizide, Cansel Elçin ile başrolü paylaştı.
Oyuncu, 28 Temmuz 2011'de Fransa'nın Paris şehrinde kendisi gibi oyuncu olan Onur Saylak ile evlendi.
Çiftin, 19 Ocak 2012'de Toprak ve Maya adındaki ikizleri dünyaya geldi.
2013 yılında 20 Dakika dizisinde Melek Halaskar karakterini canlandıran oyuncu, başrolü İlker Aksum ile paylaştı.
Oyuncu şimdilerde Atv'de yayınlanan Kara Para Aşk dizisinde Engin Akyürek ile başrolü paylaşıyor.
Büyüküstün dizide Elif karakterini canlandırıyor.
