Родился в военном обозе своего деда - Тимура близ г. Султания. Полное имя - Мирза Мухаммад ибн Шахрух ибн Тимур Улугбек Гурган. Внук Тимура, сын Шахруха.

С 1409 года получил от отца власть над Мавераннахром (часть империи Тамерлана) со столицей в Самарканде. С юных лет Улугбек проявлял склонность к научным занятиям. Став правителем, уделял много внимания развитию культуры и науки в государстве, покровительствовал ученым. Построил медресе в Бухаре, Самарканде (1417-20) и Гиждуване (1432-33). Привлек к преподаванию в самаркандском медресе видных ученых того времени, руководил ими астроном и математик Гийас ад-Дин Джам-шид ал-Каши.

. В 1419 году он поддерживает Барака и помогает ему стать ханом в улусе кочевых узбеков. В Моголистане при помощи Улугбека после долгих распрей победы добился хан Ширмухаммед, однако вскоре Улугбеку пришлось воевать со своими ставленниками. В 1425 году Улугбек разбивает моголов. В 1427 году, после того, как у него испортились отношения с Бараком, он совершает поход в низовье Сырдарьи, который закончился полным разгромом Улугбека. После смерти Шахруха в 1447 году Улугбек предпринимает попытку захватить Герат и Хорасан, однако это ему не удалось. В 1448 году он вместе со своим сыном Абдуллатифом вновь предпринимает поход на Герат, который на этот раз захватывает. Завоеванию Хорасана помешал бунт хорасанских эмиров и вторжение кочевых узбеков в Мавераннахр во главе с ханом Абдулхайром.

В 1447 г. после смерти своего отца Шахруха стал правителем всей бывшей империи Тамерлана и главой династии Тимуридов.

Делом жизни Улугбека и окружающих его ученых было создание большой обсерватории для составления новых планетных таблиц. В 1417 в Самарканде были собраны крупнейшие астрономы, которые выбрали место для обсерватории и наметили программу ее работ. Строительство было завершено около 1425. Возглавляли ее Гийас ад-Дин Джамшид ал-Каши и Салах ад-Дин Кози-заде ар-Руми, а после их смерти Ала ад-Дин Али ал-Кушчи, которого современники за его образованность называли Птолемеем своей эпохи. Обсерватория представляла собой трехъярусное круглое здание высотой 30,4м.

Главной частью его был квадрант радиусом 40м, не имевший равных в мире. Обсерватория была оснащена также множеством других приборов для выполнения астрономических измерений. В ней производились наблюдения с целью составления новых астрономических таблиц. В результате 30-ти летних наблюдений, начавшихся уже в 1417, самаркандские астрономы под руководством и непосредственном участии Улугбека составили "Новые Гурганские таблицы" - главный труд обсерватории, в котором содержатся координаты 1018 звезд, определенные впервые после Гиппарха с невиданной ранее точностью.

Это было последнее слово средневековой астрономии. В течение долгого времени этот каталог считался лучшим в мире. Был издан в 1665 в Оксфорде и не раз переиздавался с многочисленными коментариями. Большое значение в истории астрономии имели планетные таблицы и определения наклона эклиптики к экватору и годичной прецессии, выполненные самаркандскими астрономами.

Увлечение Улугбека наукой, его просветительская деятельность и пренебрежительное отношение к религии вызвали ожесточение реакционно настроенных шейхов. Улугбек был обвинен в ереси. Старший сын Улугбека Абд ал-Латиф, находившийся под влиянием духовенства, объявил ему войну. Она окончилась поражением Улугбека. Вскоре после этого Улугбек был предательски убит как "отступник от ислама". Религиозные фанатики впоследствии полностью разрушили обсерваторию. Стараниями ученого В.Л.Вяткина в 1908 и 1914 были произведены первые раскопки обсерватории, в 1941 и 1948 их успешно продолжили советские ученые.

В 1449 году Абдуллатиф затевает интригу против отца. Улугбек был обвинен в том что он "враг ислама" и вынуждает его отречься от престола, вскоре с одобрения сына Абдуллатифа Улугбека убивают. Однако и сам Абдлулатиф убит уже 8 мая 1450 года в результате заговора. Власть была передана темуриду Абдулле, который пытался возродить политику Улугбека.