Tchoulpan Khamatova est née dans une famille d'ingénieurs tatares. Elle a commencé des études commerciales qu'elle a arrêtées pour entrer dans l’école de théâtre de Kazan. Ses professeurs la redirigèrent vers Moscou, où elle étudie à l’Institut national de l’art théâtral. Après trois ans dans cette structure, elle commença sa carrière cinématographique dans le rôle de Katya dans le film de Vadim Abdrachitov, Vremya tantsora (1998) mais c'est Luna Papa (coproduction internationale réalisée par Bakhtiar Khudojnazarov) qui la propulsera l'année suivante sur la scène internationale, lui permettant de commencer une double carrière entre Allemagne et Russie - même si la majorité des films de sa filmographie sont russes. Depuis, elle a par exemple été vue dans Good Bye, Lenin! aux côtés de Daniel Brühl en 2003.