Улугбек родился 22.03.1394 в городе Султании во время Пятилетнего похода своего деда Тимура (Тамерлана). Отцом его был младший сын Тимура Шахрух (1377-1447), а матерью — Гаухаршад-бегим, дочь представителя тюркской родоплеменной аристократии Гиясиддина Тархана. Настоящее имя Мирзо Улугбека было Мухаммад Тарагай. Так он был назван в честь отца Тимура. Но стал более известным под именем Улугбек (великий бек — в переводе с тюркского). Воспитателем Улугбека был поэт и учёный Ариф Азари.

В 1405 Тимур умер, и после падения власти внука Тимура Халиль-Султана (1405-1409), младший сын Тимура Шахрух вступил в Самарканд. Его старший сын Улугбек в 1409 был объявлен правителем Мавераннахра со столицей в Самарканде. В 1411 его правление становится суверенным.

По преданию, ещё в детстве Улугбек имел возможность посетить развалины знаменитой обсерватории Ат-Туси, Насир ад-Дина в Мараге. Это произвело на любознательного Улугбека сильное впечатление и определило его увлечение астрономией. В 1417-1420 Улугбек построил в Самарканде медресе, которое стало первым строением в архитектурном ансамбле Регистан. В это медресе Улугбек пригласил большое количество астрономов и математиков исламского мира. Другие два медресе были построены в Гиждуване и Бухаре. На портале последнего сохранилась надпись: "Стремление к знанию есть обязанность каждого мусульманина и мусульманки". Вообще, все многочисленные надписи на медресе призывают людей к занятиям науками.

При Улугбеке Самарканд стал одним из мировых центров науки средневековья. Здесь, в Самарканде первой половины XV века, вокруг Улугбека возникла целая научная школа, объединившая видных астрономов и математиков.

Основным интересом Улугбека в науке была астрономия. В 1428 было завершено строительство обсерватории, главным инструментом которой был стенной квадрант с радиусом 40 метров и с рабочей частью от 20° до 80°, которому не было равных в мире.

В обсерватории Улугбека был составлен Гурганский зидж — каталог звёздного неба, в котором были описаны 1018 звёзд. Автор завершил это произведение в 1444 после тридцати лет кропотливой работы и астрономических наблюдений. Астрономический справочник вскоре был переведен на латинский язык и наряду с "Альмагестом" Клавдия Птолемея и астрономическими таблицами короля Альфонсо X Кастильского являлся пособием по астрономии во всех обсерваториях Европы.

Точность этих таблиц превосходила все достигнутое ранее на Востоке и в Европе. Лишь в XVII веке Тихо Браге (1546-1601) удалось добиться сравнимой с самаркандскими наблюдениями точности, а затем и превзойти её. Неудивительно, что "Зидж Улугбека" постоянно привлекал к себе внимание астрономов, как на Востоке, так и в Европе. Им же была определена длина звёздного года с погрешностью всего +58 секунд.

Создание Самаркандской обсерватории стало возможным потому, что в лице Улугбека слились воедино важнейшие слагаемые успеха: талантливый ученый, ясно представлявший себе научную цель и пути её осуществления, и правитель могущественного государства, располагавший достаточными средствами.

Улугбек был большим меценатом науки и искусств. Кроме астрономии и географии он увлекался поэзией и историей. Улугбек был автором исторического произведения "История четырёх улусов".

С 1427 по 1447 Улугбек практически не вёл никаких серьёзных военных действий. В 1428 он провел в стране важную денежную реформу, оказавшую благоприятное воздействие на экономику государства.

У Улугбека было несколько сыновей и дочерей. Старшим сыном был Абд ал Латиф, а младшим Абдулазиз. Его дочь Робия Султан-бегим была позже выдана замуж за правителя Узбекского ханства Абу-л-хайра.

После смерти Шахруха в 1447 в стране начались междоусобицы. После поражения в Хорасанском походе в 1447 между Улугбеком и его старшим сыном Абд ал Латифом возник конфликт, перешедший в военные действия. Эта война закончилась поражением Улугбека. Вскоре после этого Улугбек был предательски убит 27.10.1449.

Обсерватория Улугбека постепенно разрушалась и в конце XVII века была разобрана на кирпичи. До нашего времени сохранилась только подземная часть главного квадранта обсерватории Улугбека.