Née à New York, Olivia Wilde grandit à Washington D.C. avec ses deux parents journalistes. Elle fait ses études à la Phillips Academy d’Andover, dans le Massaschusetts, où elle étudie la comédie et réalise une vingtaine de productions de l’école. Poursuivant dans cette veine, elle s’installe à Dublin en vue de s’inscrire à la Gaiety School of Acting.

À la fin de ses études, Olivia Wilde déménage à Los Angeles et travaille dans une agence de casting. C'est en 2004 qu'elle obtient un petit rôle dans la comédie Girl Next Door et joue dans 13 épisodes de la série Newport Beach. Parallèlement, elle apparaît dans deux films indépendants : on la surprend tout d’abord en jeune fille libérée auprès d’Emile Hirsch dans Alpha Dog de Nick Cassavetes et sous l’habit, plus sage, d’une demoiselle d’honneur dans Conversation(s) avec une femme de Hans Canosa.

Ce n’est qu’en 2008 que la jeune actrice se révèle au grand public alors qu’elle intègre le casting de la série la plus regardée au monde : Dr House. Elle y interprète Numéro 13, une jeune interne (de son vrai nom Remy Hadley) aux allures mystérieuses, qui tient tête au médecin misanthrope. La même année, Olivia Wilde se lance dans un road trip, intitulé Fix et imaginé par son mari de l'époque, Tao Ruspoli.

Changement de cap en 2010 puisqu’elle est à l’affiche du nouveau film de Paul Haggis, Les Trois prochains jours aux côtés de Russell Crowe et de Tron l'héritage, la suite du grand classique de la science-fiction des années 1980. Elle poursuit en apparaissant dans plusieurs genres. Parmi ces derniers : le thriller (Folie meurtrière, Cold Blood), l'action (Cowboys et Envahisseurs, Time Out), la comédie (Echange standard, La Famille Pickler, Drinking Buddies, Une semaine ordinaire, Noël chez les Cooper), le biopic (Rush) ou encore l'horreur (Lazarus Effect).

Parallèlement, Olivia Wilde trouve des rôles notables dans les séries Doll & Em (2015), Vinyl (2016) où elle joue la femme de Bobby Cannavale, et BoJack Horseman (2014 - 2020) où elle prête occasionnellement sa voix à l'un des personnages. N'oubliant pas le cinéma, la comédienne incarne, dans Vigilante une ancienne femme battue devenue justicière. Elle goûte ensuite à la romance avec Seule la vie... puis tourne sous la houlette de Clint Eastwood dans Le Cas Richard Jewell.

En 2022, elle met en scène son second long métrage (après Booksmart, sorti en 2019 sur Netflix), le thriller psychologique Don't Worry Darling, emmené par Florence Pugh et Harry Styles. Le long-métrage suit une femme au foyer dans une banlieue pavillonnaire des années 1950, dont la vie en apparence parfaite est bouleversée lorsqu'elle est victime et témoin d'étranges phénomènes. Outre ses qualités cinématographiques, le film fait parler de lui pour des rumeurs de mésentente entre Olivia Wilde et Florence Pugh, ainsi que pour le remplacement de Shia LaBeouf par Harry Styles, avec lequel la réalisatrice et actrice formera un couple pendant deux ans.

Après un petit rôle dans Babylon, elle s'éloigne un temps des plateaux avant de revenir le temps d'un épisode de The Studio (2025), puis en étant à l'affiche de I Want Your Sex (2026), comédie pop de Gregg Araki où elle campe une artiste provocatrice qui entame une relation SM avec son employé.

Elle n'oublie pas la réalisation et brille avec L'Invitation, remake du film espagnol Sentimental où elle donne la réplique à Seth Rogen, Edward Norton et Penelope Cruz. Cette confrontation entre deux couples de voisins séduit la critique.