Olivier Dahan intègre à vingt ans l’École d'Art de Marseille où il obtient en 1991 le Diplôme National Supérieur d'Expression plastique. Passionné par l'image, il réalise sept courts métrages entre 1988 et 1997, parallèlement à plusieurs expositions d'art. Il réalise également un grand nombre de clips, notamment pour IAM et MC Solaar, puis pour des artistes internationaux comme The Cranberries et Zucchero.

En 1994, Olivier Dahan met en scène son premier long métrage, Frères, extrait de la collection "Tous les garçons et les filles de leur âge" de la chaîne ARTE et sélectionné au Festival international du film de Berlin. Il passe au grand écran en 1997 avec Déjà mort, un drame décrivant avec violence et désespoir l'univers d'une jeunesse niçoise riche et mal dans sa peau. 

Cinq ans plus tard, après avoir totalement changé de registre avec une adaptation ambitieuse du conte de Charles Perrault, Le Petit Poucet (2001), il retourne au film sombre avec La Vie promise (2002) dans lequel Isabelle Huppert interprète une prostituée à la recherche de son ex-mari. L'année suivante, les producteurs Alain Goldman et Luc Besson, intéressés par son style visuel, lui confient la réalisation des Rivières pourpres 2, l'occasion pour Olivier Dahan de retrouver Benoît Magimel, qu'il avait dirigé dans Déjà mort.

Début 2004, l'idée de faire un film sur la vie d'Edith Piaf lui vient pendant qu'il feuillette un livre sur la célèbre chanteuse. Le projet se concrétise deux ans plus tard, avec Marion Cotillard dans le rôle de Piaf. La Môme fait l'ouverture du Festival de Berlin 2007 et consacre son interprète principale, récompensée aux BAFTA, aux César et même aux Oscars en 2008. Restant dans le domaine de la chanson, mais se rapprochant cette fois-ci beaucoup plus près de son univers personnel, Olivier Dahan écrit et met en scène son premier film outre-Atlantique, My Own Love Song (2010), dans lequel Renée Zellweger incarne une chanteuse handicapée dépressive, soutenue par son ami (Forest Whitaker). Décidément attiré par le domaine de la musique, il met ensuite en scène le spectacle musical Mozart, l'opéra rock, qui se joue de 2009 à 2011.

En 2012, Olivier Dahan s'essaye à la comédie avec Les Seigneurs. Pour ses débuts dans un genre qui ne lui est pas familier, il s'entoure de comiques très populaires comme José Garcia, Franck Dubosc, Ramzy Bedia, Omar Sy et Gad Elmaleh. Jean-Pierre Marielle et JoeyStarr complètent le casting de cette comédie footballistique, dont l'action se déroule sur une petite île bretonne.

Deux ans plus tard, le réalisateur français revient sur grand écran avec Grace de Monaco. Le film s'intéresse à l'année 1962 et à la personnalité de la princesse en pleine crise politique entre la France et la Principauté monégasque. Pour l'occasion, Dahan dirige un casting de premier ordre avec Nicole Kidman sous les traits de la Princesse, Tim Roth (Prince Reigner III,) ou encore Paz Vega (Maria Callas).

Après une absence de huit ans, le réalisateur revient sur le devant de la scène avec un nouveau biopic, Simone, le voyage du siècle. Il retrace le parcours hors du commun de Simone Veil, ancienne ministre rescapée des camps de concentration, et les nombreux combats politiques qu'elle a menés. Il dirige pour l'occasion Rebecca Marder et Elsa Zylberstein, qui incarnent Veil à des époques différentes.