Devenu cuisinier sur un bateau après avoir interrompu sa scolarité, Oliver Hirschbiegel reprend par la suite des études, en peinture et en graphisme, à l'Académie des Arts de Hambourg, avant de s'orienter vers la photo et la vidéo. Après avoir vendu son premier scénario, qu'il adapte lui-même pour la télévision allemande ZDF en 1986, Oliver Hirschbiegel tourne de nombreux téléfilms dont plusieurs épisodes de la série Tatort. En 2001, le metteur en scène passe au long métrage avec le thriller L' Expérience. S'inspirant d'une terrifiante étude menée à la prison de Stanford en 1971, le film est récompensé dans de nombreux festivals.

Habitué depuis ce premier film à la controverse, il s'empare trois ans plus tard d'un sujet éminemment délicat en réalisant La Chute, qui s'intéresse aux dernières heures d'Adolf Hitler (campé par Bruno Ganz), terré avec ses fidèles dans son bunker berlinois. L'un des plus gros succès de l'histoire du box-office allemand, le film remporte en outre une moisson de récompenses et est cité à l'Oscar du Meilleur film étranger en 2005. Il change radicalement de registre avec Invasion (2006), remake d'un classique de la SF anxiogène des années 50 signé Don Siegel.

En 2009, il dirige Five Minutes Of Heaven qui traite du conflit irlandais et de la vie d’Alistair un membre d’un groupe paramilitaire cherchant à se faire pardonner pour ses crimes. Le long-métrage reçoit le prix de la réalisation au festival de Sundance.

Oliver Hirschbiegel connaît également un grand succès en réalisant les 4 premiers épisodes de la série Borgia initiée par Canal+ qui pulvérise les scores d'audience des séries françaises et étrangères, en réunissant plus de 1,5 million d’abonnés sur les deux premiers épisodes. En 2013, il met en scène Naomi Watts dans le rôle de la princesse Diana au sein de son biopic du même nom qui s’immisce dans la vie privée de cette dame au sort tragique. Le succès n'est par contre pas au rendez-vous.

Diffusé dans les salles en automne 2015, Elser, Un Héros ordinaire met en lumière la vie de Georg Elser, un ébéniste qui a tenté de tuer Hitler. Il s'agit de son premier film intégralement en allemand depuis plus de neuf ans et pour l'occasion, Oliver Hirschbiegel revient à la thématique du nazisme.