Originaire du sud de la France, Olivier Sitruk entre au Conservatoire de Nice dès l'âge de 16 ans. Désireux de monter à la capitale, il part pour Paris et suit les cours du "Studio 34", célèbre école de création et de formation à l'art dramatique. Ce n'est qu'après avoir suivi une longue formation théâtrale que le comédien décroche son premier rôle dans La Gamine (1991), réalisé par Hervé Palud, aux côtés entre autres de Johnny Hallyday et de Jean-François Stévenin.

En 1995, Bertrand Tavernier le révèle au grand public avec L'Appât, adapté du roman de Morgan Sportès inspiré d'un terrible fait divers. Son rôle de petite frappe devenu meurtrier lui vaut sa première nomination aux Césars dans la catégorie Meilleur espoir masculin. Entre petit et grand écran, le comédien poursuit ensuite sa carrière discrètement sans être à la recherche du succès à tout prix.

En 1997, il est à l'affiche d'une comédie, Quatre garçons pleins d'avenir. Puis, jouant de son image de beau brun ténébreux, il interprète Luca, le petit ami virtuel de Cécile de France dans Irène (2001). A l'aise dans le film choral, il s'illustre dans Le Grand rôle (2003) réalisé par Steve Suissa et Avant qu'il ne soit trop tard (2005) de Laurent Dussaux.