Mit seinem Vater, dem Schauspieler und Unterhaltungskünstler Ludwig Manfred Lommel, und seiner Mutter, der Schauspielerin Karla von Cleef, stand Ulli Lommel bereits als Vierjähriger auf der Bühne. Da seine Eltern oft auf Tournee waren und alle drei Jahre umzogen, besuchte er bis zur Obersekunda 12 Schulen. 1960 erhielt er ein Stipendium der UFA-Nachwuchsschule in Berlin. Dort gab er 1961 sein Debüt am Renaissance-Theater.
Fassbinder gab ihm die Hauptrolle des eleganten und eiskalten Gangster-Engels Bruno Straub in seinem ersten abendfüllenden Spielfilm Liebe ist kälter als der Tod (1969). Hanna Schygulla und Fassbinder übernahmen die anderen beiden Hauptrollen. Noch im selben Jahr gründete Lommel in München seine Produktionsfirma Atlantis-Film, mit der er sich an Fassbinders Eurowestern Whity beteiligte. Ein Jahr zuvor, während der Dreharbeiten zu Peter Schamonis Deine Zärtlichkeiten, hatte Lommel den Kameramann Michael Ballhaus kennengelernt und schlug Fassbinder vor, Ballhaus als Kameramann zu verpflichten. Ballhaus und Fassbinder waren von diesem Tag an fast unzertrennlich und drehten 16 Filme zusammen, bis Ballhaus 1981 nach Hollywood ging und Weltkarriere machte. Lommel entschloss sich nun dazu, auch als Autor und Regisseur zu arbeiten. Doch erst mit dem Kriminalfilm Die Zärtlichkeit der Wölfe (1973), in dem Kurt Raab den Knabenmörder Fritz Haarmann spielte, konnte er einen viel diskutierten Kinoerfolg vorweisen, der ihn zwei Jahre später auch nach Paris brachte, wo der Film über ein Jahr lang im Kino lief.
Bevor Lommel 1977 nach Amerika übersiedelte, drehte er das Filmdrama Wachtmeister Rahn (1974) über einen Polizisten als Killer, die Filmkomödie Jodeln is ka Sünd (1974), einen recht untypischen Lederhosenfilm, und den Erotikfilm Der zweite Frühling (1975) mit Curd Jürgens und Eddie Constantine. Die Filmkomödie Adolf und Marlene (1977) spekulierte über die Beziehungen zwischen Hitler und Marlene Dietrich und konnte erst nach dem Einspruch von Dietrichs Anwälten aufgeführt werden.
In den USA lernte Lommel 1977 Andy Warhol kennen, der in dem musikalischen Drama Blank Generation (1978, mit Richard Hell und Carole Bouquet) und in dem Krimidrama Cocaine Cowboys (1979, mit Jack Palance) Gastauftritte hatte. Mit Warhol kreierte er verschiedene Polaroid-Collagen, die im Januar 2010 in der Galerie der Aurora-Bar am Beethovenplatz in München ausgestellt wurden. Nach dem Erfolg seines Horrorfilms The Boogey Man (1980) blieb er in Amerika und wohnte seitdem in den Hollywood Hills. Er drehte 43 Filme, zumeist Gruselkrimis, Abenteuer- und Kriegsfilme. Mit seinem Actionfilm Warbirds (1988) kopierte er den Blockbuster Top Gun. Außerdem drehte Lommel in den USA mit John Carradine (The Boogey Man, 1980), Tony Curtis, Vera Miles und Keir Dullea (BrainWaves, 1982), Donald Pleasence (The Devonsville Terror, 1983) und David Carradine (Absolute Evil, 2008). Die Zusammenarbeit mit Klaus Kinski in dem Fantasyfilm Diamant des Grauens (1984) gestaltete sich indes schwierig. Mit Robert Fischer (* 1954) produzierte er die Dokumentation Fassbinder in Hollywood (2002).
2004 erschien der von Peter Schamoni produzierte halbdokumentarische Musikfilm Daniel, der Zauberer über Daniel Küblböck, für den Lommel – für viele überraschend – das Drehbuch schrieb und Regie führte und für den er auch in die Rolle des Zauberers schlüpfte.[1] Im Dezember 2009 veranstalteten das Werkstattkino und die Stadt München eine 14-tägige Retrospektive seiner Filme. Im Januar 2010 erschienen im Belleville Verlag Lommels Memoiren, Zärtlichkeit der Wölfe – Begegnungen[2]. Im Sommer 2013 ging Lommel für neun Monate nach Brasilien, um an diversen Projekten zu arbeiten. Er beendete die Dreharbeiten zu seinem bio-epic Mondo Americana, schrieb ein Buch und machte auch einen Film über Campo Bahia, das offizielle Camp der deutschen Fußballnationalmannschaft in Brasilien.[3][4] 2016 begann er mit den Arbeiten an der Serie Boogeyman Chronicles.
Im Sommer 2015 kam Lommels Buch über seine Zeit mit Andy Warhol unter dem Titel „Factory Made“ heraus. Im Rahmen des Filmfests wurden die restaurierten Filmfassungen von Blank Generation und Cocaine Cowboys gezeigt, die Lommel zusammen mit Warhol Ende der 70er Jahre in New York produziert hatte. Zuletzt arbeitete Lommel an einer Verfilmung seiner drei Jahre mit Warhol unter dem Titel The Factory: Working with Warhol.
Ulli Lommel war in erster Ehe mit der Schauspielerin Katrin Schaake verheiratet. In den 1970er Jahren lernte er Anna Karina kennen, die Ex-Frau von Jean-Luc Godard, mit der er drei Jahre zusammenlebte und drei Filme drehte: die Komödie Ausgerechnet Bananen sowie Es war einmal und Fassbinders Drama Chinesisches Roulette. 1979 heiratete er die DuPont-Erbin Suzanna Love, die bis zur Trennung 1984 (Scheidung 1987) in den meisten seiner amerikanischen Filme die Hauptrolle spielte. Ab 2016 war er mit der deutschen Schauspielerin Tatjana Paige Müller verheiratet, die in seinen Filmen ab 2015 mitwirkte.
Am 2. Dezember 2017 starb Lommel im Alter von 72 Jahren an den Folgen eines Herzinfarkts.[5] Seine letzte Ruhestätte fand er auf dem Berliner Friedhof Zehlendorf (Grablage 001-495).[6]
Kay Weniger: Das große Personenlexikon des Films. Die Schauspieler, Regisseure, Kameraleute, Produzenten, Komponisten, Drehbuchautoren, Filmarchitekten, Ausstatter, Kostümbildner, Cutter, Tontechniker, Maskenbildner und Special Effects Designer des 20. Jahrhunderts. Band 5: L – N. Rudolf Lettinger – Lloyd Nolan. Schwarzkopf & Schwarzkopf, Berlin 2001, ISBN 3-89602-340-3, S. 88 f.