Çocukluğundan beri çizime meraklıydı. 2004 yılında Mimar Sinan Üniversitesi Sahne Dekorları ve Kostüm Tasarımı bölümünden mezun oldu. Aynı yıl rol almaya başladığı Çemberimde Gül Oyna dizisiyle tanındı. Televizyon filmi Gülizar ile Sırbistan-Karadağ Uluslararası TV-Bar Festivali’nde En İyi Kadın Oyuncu seçildi. Rol aldığı popüler televizyon projelerinden Asi, 51. Monte Carlo TV Festivali’nde en iyi Soap Operadalında aday oldu. Televizyon dizilerine Kara Para Aşk, Cesur ve Güzel gibi projelerle devam etti. 20 Dakika dizisindeki performansıyla 42. Emmy Ödüllerinde Uluslararası Yapımlar kategorisinde En İyi Kadın Oyuncu aday oldu. Pantene gibi markalarla işbirliklerine imza attı. 2015’te Ferzan Özpetek’in İstanbul Kırmızısı filminin oyuncu kadrosunda yer alan Büyüküstün, 2014’ten bu yana UNICEF’in İyi Niyet Elçisi.