Fille de l'acteur Stig Olin.

Lena Olin débute sa carrière d'actrice sur les planches. Elle fait partie du prestigieux Royal Theatre de Stockholm, dirigé par Ingmar Bergman. Ce dernier lui offre son premier rôle au cinéma dans l'inquiétant Face-à-face (1976). Elle le retrouve en 1982 pour un drame familial, Fanny et Alexandre. Après ses débuts en Suède, elle entame une carrière aux Etats-Unis. Elle s'y révèle en 1987 dans L'Insoutenable Légèreté de l'être de Philip Kaufman aux côtés de Juliette Binoche.

En 1990, elle vit une histoire d'amour avec Robert Redford sur fond de guerre civile dans Havana de Sydney Pollack. Puis elle séduit Richard Gere dans Mr. Jones (1993, Mike Figgis). On la retrouve dans des films sombres comme Romeo is Bleeding (1993, Peter Medak) ou encore Dans l'ombre de Manhattan (1997, Sidney Lumet).

Après un passage dans le registre de la comédie grand public avec Mystery men (1999, Kinka Usher), elle retrouve Juliette Binoche dans la fable de Lasse Hallström intitulée Le Chocolat (2000).

Lena Olin poursuit ensuite sa carrière dans le cinéma de genre, apparaissant coup sur coup dans des films fantastiques ou policiers comme Ignition, Darkness ou Hollywood Homicide. A partir de 2002, elle joue pour le petit écran dans la série télévisée Alias. Son mari à la ville Lasse Hallström la dirige ensuite dans Casanova, film où elle a pour partenaire Heath Ledger et Jeremy Irons.

En 2008, Lena Olin tient un double rôle dans The Reader de Stephen Daldry. L'actrice incarne Rose Mather, une déportée juive ayant survécue à la guerre (en 1966) et sa fille Ilina Mather (en 1995).