Инна Ульянова родилась 30 июня 1934 года в Горловке. Ее отец был крупным горным инженером, а мама работала строителем. Позже семья Ульяновых переехала в Москву.

В 1957 году окончила Театральное училище имени Щукина. С 1957 по 1963 играла в Ленинградском государственном театре комедии, с 1964 - в Московском театре драмы и комедии на Таганке, с 1993 - в театре "Содружество актёров Таганки". Играла также в театре Василия Ливанова "Детектив", у Александра Яцко, антрепризах Михаила Козакова и Сергея Арцибашева.

Ульянова снималась в кино с 1956. Один из лучших эпизодов, сыгранных ею в 1970-х, - образ дамы подшофе с лисой в телефильме «Семнадцать мгновений весны». В 1982 Ульянова сыграла свою звёздную роль Маргариты Хоботовой в фильме "Покровские ворота" Михаила Козакова.

Последние годы Ульянова страдала от алкоголизма. Актриса скончалась от цирроза печени 9 июня 2005 года в карете скорой помощи, которую вызвали соседи актрисы, неделю не открывавшей никому дверь в квартиру. Инна Ульянова похоронена на Ваганьковском кладбище в Москве.

В июне 2008 года на могиле Инны Ульяновой был установлен памятник.