ด้านการแสดงละคร

เมื่อปี พ.ศ. 2546 ทูลกระหม่อมหญิงอุบลรัตนราชกัญญา สิริวัฒนาพรรณวดี ได้ทรงละครสองเรื่องแรก คือ กษัตริยา และ มหาราชกู้แผ่นดิน ตามคำกราบทูลเชิญของบริษัทกันตนา ละครทั้งสองออกอากาศสถานีวิทยุโทรทัศน์กองทัพบกทุกวันจันทร์ถึงศุกร์ เวลา 19:30 นาฬิกา

ต่อมาในปี พ.ศ. 2549 ได้ทรงแสดงนำในละครเรื่อง อนันตาลัย ซึ่งทรงประพันธ์เค้าโครงเรื่องด้วยพระองค์เองโดยใช้พระนามแฝงว่า "พลอยแกมเพชร" ละครดังกล่าวออกอากาศทางสถานีโทรทัศน์ไอทีวี

ต่อมาในปี พ.ศ. 2559 พระองค์ได้ทรงร่วมแสดงในละครโทรทัศน์ทางสถานีวิทยุโทรทัศน์ไทยทีวีสีช่อง 3 คู่ขนานกับ ช่อง 3 HD ช่อง 33 เรื่อง ดาวหลงฟ้า ภูผาสีเงิน ทรงรับบทเป็น "อัมราภาชินี"

การออกรายการโทรทัศน์

ทูลกระหม่อมหญิงอุบลรัตนราชกัญญา สิริวัฒนาพรรณวดี ได้เสด็จมาทรงถ่ายรายการโทรทัศน์ที่เกี่ยวกับพระองค์เป็นประจำ ตามคำกราบทูลเชิญคณะบุคคลต่าง ๆ เพื่อออกเผยแพร่ทางโทรทัศน์ โดยเฉพาะรายการที่พระองค์ทรงออกรายการทางโทรทัศน์อยู่เป็นประจำเป็นรายการที่มีความรู้และสาระต่าง ๆ ที่ประชาชนได้รับชมอยู่จนถึงปัจจุบัน มีทั้งหมด 2 รายการ มีดังนี้

• ทูบีนัมเบอร์วัน วาไรตี้ เมื่อ พ.ศ. 2550 จนถึงปัจจุบัน ส่งเสริมการใช้เวลาว่างให้เป็นประโยชน์เพื่อห่างไกลยาเสพติด ผลิตโดย โครงการทูบีนัมเบอร์วันและกรมสุขภาพจิต กระทรวงสาธารณสุข พระองค์จะออก ช่วง Talk to the Princess ตอบจดหมายจากผู้ชม จะออกอากาศทุกวันเสาร์ เวลา 20:30–21:30 นาฬิกา ทางสถานีวิทยุโทรทัศน์แห่งประเทศไทย
• พรินเซสไดอารี (Princess Diary) เมื่อ พ.ศ. 2551 เกี่ยวกับสถานที่ท่องเที่ยวที่สำคัญของต่างประเทศ ปัจจุบัน เปลี่ยนรูปแบบใหม่เป็นการสัมภาษณ์ดารารับเชิญในห้องส่ง โดยเล่าประวัติและผลงานของดารารับเชิญ ออกอากาศทุกวันศุกร์ เวลา 23:05–24:00 นาฬิกา ทาง เอ็มคอตเอชดี

การแสดงภาพยนตร์

เมื่อ พ.ศ. 2551 ทูลกระหม่อมหญิงอุบลรัตนราชกัญญา สิริวัฒนาพรรณวดี ได้ทรงถ่ายภาพยนตร์เรื่อง หนึ่งใจเดียวกัน เป็นภาพยนตร์เรื่องแรกในพระองค์ จากบทพระนิพนธ์ เรื่องสั้นที่...ฉันคิด ทำรายได้ 50 ล้านบาท[18] ต่อมา ยังทรงแสดงในภาพยนตร์เรื่อง มายเบสต์บอดีการ์ด และ พระนางจามเทวี[19] ภาพยนตร์ทั้งสามได้เข้าฉายในงานเทศกาลหนังเมืองคานส์ โดยเสด็จมาทรงร่วมในพิธีเมื่อ พ.ศ. 2551, 2552 และ 2553

ใน พ.ศ. 2555 ทรงร่วมแสดงภาพยนตร์อีกสองเรื่อง คือ เรื่อง ว่ายน้ำข้ามทะเลดาว ร่วมกับ โทนี่ รากแก่น เทิดพระเกียรติยศพระบาทสมเด็จพระปรมินทรมหาภูมิพลอดุลยเดชในวันพระราชสมภพ 5 ธันวาคม พ.ศ. 2555 เข้าฉายในวันที่ 1–23 ธันวาคม พ.ศ. 2555 และเรื่อง ทูเก็ตเตอร์ วันที่รัก ร่วมกับ สหรัถ สังคปรีชา และ ปิยธิดา มิตรธีรโรจน์ เข้าฉายวันที่ 20 ธันวาคม พ.ศ. 2555

ด้านการร้องเพลง

ทูลกระหม่อมหญิงอุบลรัตนราชกัญญา สิริวัฒนาพรรณวดี ทรงมีผลงานเพลงหลายผลงานในสังกัดจีเอ็มเอ็ม แกรมมี่ เช่น เพลงประจำโครงการทูบีนัมเบอร์วัน เพลงประกอบภาพยนตร์เรื่อง หนึ่งใจ...เดียวกัน เพลงประกอบภาพยนตร์เรื่อง มาย เบส บอดี้การ์ด เพลง "ทางของฉัน" และเพลง "ผู้ชายคนนั้น" นอกจากนี้ ยังทรงได้รับเชิญเข้าร่วมร้องเพลง "ขวานไทยใจหนึ่งเดียว" เมื่อปี พ.ศ. 2547 ด้วย