Ucraina di nascita, Olga Kurylenko ha studiato arte e lingue straniere nel Paese d'origine. Ha studiato pianoforte per sette anni in una scuola di musica, e ballo per ben tredici anni.
All'età di 13 anni, Olga è stata notata a Mosca da un agente, che l'ha avvicinata in una stazione della metropolitana, proponendole di fare la modella. Dopo una brillante carriera internazionale come top model, Olga ha deciso di intraprendere la carriera di attrice. Ha debuttato nei panni di Iris, protagonista del film francese del 2005 The Ring Finger (L'annulaire); successivamente, ha recitato accanto a Elijah Wood nel film Paris, je t'aime (2006), accanto a Daniel Craig nel film Quantum of Solace (2008) e ha interpretato Julia in Oblivion (2013), accanto a Tom Cruise e Morgan Freeman. Recentemente ha lavorato sul set dello spy thriller The November Man accanto a Pierce Brosnan, e sul set di A Perfect Day, con Benicio del Toro e Tim Robbins.