D'origine ukrainienne, Olga Kurylenko a 16 ans lorsqu'elle est repérée par un agent parisien à Moscou, alors qu'elle sort du métro. Un an plus tard, elle part pour Paris où elle apprend le français en seulement six mois. Elle pose ensuite pour plusieurs magazines tels que "Vogue" ou "Elle", et se montre dans différents défilés de mode.

En 2004, l'Ukrainienne décroche un premier rôle dans L'Annulaire de Diane Bertrand. Elle honore ensuite la capitale en jouant dans l'un des segments de Paris, Je T'aime réalisé par Vincenzo Natali. Après ces quelques rôles dramatiques, Olga Kurylenko enchaîne les blockbusters d'action français et américains comme Hitman, adaptation du jeu vidéo éponyme par Xavier Gens, Le Serpent où elle croise Yvan Attal et Clovis Cornillac et Max Payne, autre adaptation de jeu vidéo où Olga affronte l'atrabilaire Mark "Max Payne" Wahlberg.

En 2008, la belle Olga prête ses traits à la James Bond girl de Quantum of Solace et envoûte Daniel Craig, une consécration pour cette beauté slave. Elle tient ensuite l'affiche de Centurion (2010) de Neil Marshall aux côtés de Michael Fassbender, une sorte de mélange entre Braveheart et Gladiator. En 2012, la comédienne est à l'affiche de La Terre outragée de Michale Boganim, un drame qui a pour toile de fond la catastrophe nucléaire de Tchernobyl. Elle donne également la réplique à Aaron Eckhart dans le thriller The Expatriate.

L'année 2013 est une belle année pour Olga. En effet, la Franco-Ukrainienne tombe amoureuse de Ben Affleck dans le film de Terrence Malick, A la merveille. La prestation toute en douceur de la comédienne confirme son talent. S'essayant à tous les genres, Olga passe de la romance malickienne à la science-fiction la même année avec Oblivion de Joseph Kosinski. Dans un monde futuriste post-apocalyptique, la Terre est devenue inhabitable et Olga croise la route de Tom Cruise dans sa station située dans les nuages.

La comédienne tourne ensuite sous la direction de Roland Joffé dans Au Prix du Sang avant de faire face à Pierce Brosnan dans le film d'action November Man. En 2015, elle rejoint Russell Crowe dans La Promesse d'une vie, son premier long métrage en tant que réalisateur. Il y relate l'histoire d'un père recherchant ses trois fils, en 1919, à Gallipoli en Turquie, lorsque les Ottomans ont subi une offensive de la part des forces alliées au moment de la Première Guerre mondiale.

L'actrice renoue ensuite avec le film d'action dans Code Momentum aux côtés de Morgan Freeman. En 2016, elle croise la route de Benicio Del Toro, Tim Robbins et Mélanie Thierry dans A Perfect Day. Olga, qui parle français, tourne en 2017 sous la direction de Daniel Roby dans le film d'anticipation Dans la brume. Avec son mari Romain Duris, elle doit protéger sa famille de la menace d'une brume mortelle qui envahit Paris.

Très active au cinéma, Olga Kurylenko goûte à différents genres : le film d'époque (La Mort de Staline, L'Empereur de Paris), la comédie (Johnny English contre-attaque), le thriller (Les Traducteurs), l'horreur (The Room) ou encore l'action (L'Intervention, The Courier). Côté séries, elle incarne une femme aussi belle que mystérieuse dans Romance, qui lorgne du côté du thriller fantastico-romantique. En 2021, elle revient à l'un de ses genres de prédilection, l'action, via Sentinelle pour Netflix. L'actrice de 41 ans y campe une militaire cherchant à venger sa soeur qui a été violée et agressée...