Star TV ekranlarında yayımlanan Sefirin Kızı dizisinde Neslihan Atagül'ün yerine Tuba Büyüküstün gelmiş fakat dizi senaryosu gereği final yapmıştı. Sefirin Kızı dizisinin finali sonrası Büyüküstün soluğu Bodrum'da aldı. Güzel oyuncu, Bodrum'da tek başına Yalıçiftlik'teki bir otelde görüntülendi. Ayağında bot ve sırtında ceketiyle sahile gelen Büyüküstün'ü görenler şaşkınlığını gizleyemedi. Botlarını ve çoraplarını çıkararak, gölgede uzanan Tuba Büyüküstün yeni projesi için senaryo okudu. Ara ara senaryo okuyan oyuncu, telefonunu da elinden bırakmayarak birçok kez fotoğraf çekti. Etrafında kimse olmayan Büyüküstün, fotoğraf çekme için adeta şekilde şekle girdi.Tuba Büyüküstün: 2003 yılında Aydın Bulut'un yönettiği ve Kanal D’de yayınlanan Sultan Makamı adlı dizinin son 4 bölümünde oynayarak, dizi oyunculuğuna başladı. 2004 yılında Çağan Irmak'ın yönettiği ve Kanal D’de yayınlanan Çemberimde Gül Oya adlı dizide Zarife karakterini canlandırarak adından söz ettirdi. Yine aynı yıl Cemal Şan'ın yönettiği Gülizar adlı televizyon filminde Gülizar karakterini canlandıran Büyüküstün, bu rolüyle Sırbistan-Karadağ Uluslararası TV Festival Bar’da En İyi Kadın Oyuncu ödülünü aldı. 2005 yılında Aydın Bulut’un yönettiği ve Kanal D’de yayınlanan Ihlamurlar Altında adlı dizide Bülent İnal ve Sinan Tuzcu ile başrolü paylaşarak, büyük bir çıkış yaptı. Aynı yıl Babam ve Oğlum adlı sinema filminde Aysun karakterini canlandırarak bir kez daha Çağan Irmak’la çalıştı ve sinemaya adım attı. 2006 yılında Ömer Faruk Sorak’ın yönettiği Sınav adlı sinema filminde oynayan Büyüküstün, bu filmde ünlü oyuncu Jean-Claude Van Damme ile çalışma fırsatı yakaladı. 2007 yılında Antakya’da çekilen, Cevdet Mercan’ın yönettiği ve Kanal D’de yayınlanan Asi adlı dizide Murat Yıldırım ve Çetin Tekindor’la başrolü paylaştı. Aynı yıllarda Çemberimde Gül Oya, Ihlamurlar Altında, Asi gibi dizilerinin Arap televizyonlarında gösterilmesiyle birlikte, Orta Doğu’da büyük bir üne kavuştu ve Türk dizilerinin yurt dışına ihracında önemli bir rol oynadı. Başrolünü oynadığı Asi dizisi 67 ülkedeki izlenme oranlarıyla, 51. Monte-Carlo Televizyon Festivali’nde En İyi Pembe Dizi kategorisinde aday gösterildi. 2010 yılında Yusuf Kurçenli’nin yönettiği Yüreğine Sor filmiyle sinemada ilk başrolünü oynadı. Daha sonra atv'de yayınlanan Gönülçelen adlı dizide, Cansel Elçin’le birlikte başrolü paylaştı. 2013 yılının ilk günlerinde, Star TV’de yayınlanmaya başlayan 20 Dakika adlı dizide İlker Aksum ile birlikte başrolü paylaşarak, 1,5 yıl ara verdiği ekranlara geri döndü. 20 Dakika dizisindeki rolüyle 42. Uluslararası Emmy Ödülleri’nde En İyi Kadın Oyuncu kategorisine aday gösterilerek, Emmy’e aday olabilen ilk Türk oyuncu unvanını aldı. 2014 yılında UNICEF Türkiye’nin iyi niyet elçisi seçilen Büyüküstün, yine 2014 yılının Mart ayında başlayan ve Atv’de yayınlanan Kara Para Aşk dizisinde Engin Akyürek ile birlikte başrolü paylaştı. Kara Para Aşk dizisindeki rolüyle İhracatın Yıldızları ödülünü alırken, yine bu rolü ve yardımseverliği nedeniyle 14. Uluslararası Giuseppe Sciacca Ödülleri’nde En İyi Kadın Oyuncu seçildi. 2015 yılının son aylarında sinemaya ağırlık vererek, biri kısa film olmak üzere Orman, Rüzgarın Hatıraları ve Dar Elbise filmlerinde rol aldı.Tuba Büyüküstün son olarak ise Star TV'de yayımlanan Sefirin Kızı dizisinde rol aldı.