Родовые корни в Ульяновской области. Отец — Улюкаев Вали Хусаинович, кандидат экономических наук, профессор Государственного университета по землеустройству.

Окончил экономический факультет Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова (1979), аспирантуру экономического факультета МГУ (1982). Доктор экономических наук. Имеет степень доктора экономики Университета Pierre-Mendes France (город Гренобль).

В 1991—1992 годах — экономический советник правительства России. Член «команды» Егора Гайдара.

В 1992—1993 годах — руководитель группы советников председателя правительства России.

В 1993—1994 годах — помощник первого заместителя председателя правительства России Егора Гайдара.

В 2000—2004 годах — первый заместитель министра финансов России Алексея Кудрина.

С апреля 2004 года по июнь 2013 года — первый заместитель председателя Центрального банка Российской Федерации Сергея Игнатьева.

C 24 июня 2013 года министр экономического развития Российской Федерации.

В январе 2015 года выдвинут правительством РФ в члены наблюдательного совета банка ВТБ.

Владеет английским и французским языками.

Пишет стихи.

Женат, имеет двух сыновей и дочь.

В ноябре 2016 года Улюкаева уволили с поста министра экономического развития в связи с утратой доверия из-за уголовного дела о взяточничествею