Öğretmen bir anne ve asker bir babanın çocuğu olarak Denizli'de doğdu. Ebru adlı bir ablası bulunmaktadır. Babasının görevi nedeniyle Vize, Şanlıurfa gibi yerlerde büyüdü. Lise yıllarında voleybol ve tiyatroyla ilgilendi. Çanakkale Onsekiz Mart Üniversitesi İşletme Bölümü'nün birinci sınıfında okurken öğrenimine ara verdi. Elite Model Look yarışmasına katıldı. Ayrıca çeşitli dizilerde oynayarak oyunculuğa adım attı. Bu arada İstanbul Bilgi Üniversitesi'nde eğitimini bitirdi. Vizontele Tuuba filminde başrolde oynadı. Çılgın Dersane, Plajda gibi filmlerde yer aldı. 2000'lerin ortasında yeniden çekilen Küçük Hanımefendi serilerinde, zamanında Belgin Doruk'un oynadığı 'Küçük Hanımefendi' Ceren karakterini canlandırdı. 2016'da Rıza Kocaoğlu ile Dünyanın En Güzel Kokusu adlı romantik filmin başrolünde oynadı. 1 yıl sonra çekilen devam filminde yine Derya karakteriyle sinema izleyicisinin karşısına çıktı.

Tuba Ünsal ilk evliliğini 2004'te Cem Cantaş ile yaptı. Ama 2 yıl sonunda çift boşandı. 2010'da bu kez Murat Pilevneli ile evlendi ve aynı yıl Sare Pilevneli adında bir kız çocuğu oldu. 2012'de bu evlilik de boşanmayla sonuçlandı. 2013'te bu kez gazeteci-televizyoncu Mirgün Cabas'la evlendi ve Civan Mert Cabas adında bir erkek çocuğu dünyaya getirdi.