18 Kasım 1960'da Sarıkamış, Kars'ta doğdu. Yönetmeni, senarist, yapımcı Ustaoğlu,  Karadeniz Teknik Üniversitesi Mimarlık bölümünden mezun oldu. Ödüllü kısa filmleriyle sinemaya adım attı. İlk çıkışını 1994 yılında çektiği "İz" filmi ile yaptı. Film, İstanbul, Köln, Nürnberg film festivallerinden en iyi film ödülleri aldı. Ardından çektiği "Güneşe Yolculuk" filmiyle ulusal ve uluslararası alanda çok sayıda ödül aldı. 2003 yılında uzun metrajlı film ve belgesel yapımları gerçekleştirmek, uluslararası projelere prodüksiyon hizmeti vermek amacıyla Ustaoğlu Film yapım şirketini kurdu. 2004 yılında "Bulutları Beklerken" adlı filmini, 2008 yılında "Pandora'nın Kutusu" adlı filmini çekti.  2003 yılında ise “Bulutları Beklerken” filmi ile Sundance Film Festivalinde, “En İyi Senaryo” ödülünü aldı. 2002 yılında 59’uncu Uluslararası Venedik Film Festivali’nin uluslararası yarışma bölümü jürisinde görev yaptı. 2012 yılında ise  Uluslararası Abu Dhabi Film Festivali’ yarışmasında yönetmenliğini Yeşim Ustaoğlu’nun yaptığı “Araf” en iyi film ödülünü kazandı. Uluslararası alanda prestijli bir yönetmen haline gelen Ustaoğlu 2016 yılında başrollerinde Funda Eryiğit, Ecem Uzun ve Mehmet Kurtuluş'un yer aldığı "Tereddüt" filmini çekti. Film, ilk gösterimini 11 Eylül'de Toronto Uluslararası Film Festivali'nde gerçekleştirdi ve film en iyi kadın oyuncu kategorisi öncelikli olmak üzere yine uluslararası ve ulusal festivallerde ödüle layık görüldü.