Attrice e attivista, Olivia si muove senza sforzo tra il suo lavoro sullo schermo insieme a attori famosi in film acclamati dalla critica e show televisivi e quello con dottori e insegnanti impegnati nei campi profughi haitiani.
Olivia Wilde ha di interpretato "Cowboys & Aliens", con Daniel Craig e Harrison Ford, è stata Quorra, l'amica fidata e protettrice di Jeff Bridges nel futuristico blockbuster 3D "TRON Legacy", ha fatto un cameo nel thriller futuristico di Andrew Niccol "In Time", ambientato in un mondo dove gli individui smettono di invecchiare a 25 anni e Olivia Wilde interpreta la madre di Justin Timberlake, anche se nella vita vera lei è più giovane di lui di quattro anni. Olivia Wilde interpreta una concorrente dell'annuale competizione di scultura del burro in "Butter", insieme a Jennifer Garner, Hugh Jackman e Ty Burrell.
Olivia Wilde ha girato il film di Stefan Ruzowitzky "Blackbird", dove interpreta la sorella minore di Eric Bana in una storia che racconta di due fratelli fuggiaschi che si scontrano con un problematico ex carcerato durante una vacanza a casa.
Cresciuta da genitori che sono giornalisti e documentaristi pluripremiati, anche Olivia Wilde è stata portata a esplorare il campo documentaristico. Uno dei suoi ultimi progetti è stato rodurre esecutivamente il corto edificante e insieme straziante Sun City Picture House, presentato in anteprima al Tribeca Film Festival. Il documentario segue una comunità di Haiti che cerca di ricostruire un cinema dopo il disastroso terremoto del 2010.
Oltre ad apparire sul grande schermo, Olivia ha interpretato il ruolo della dottoressa Thirteen nel programma televisivo più guardato al mondo, "Dr. House". E' entrata nella serie nel 2007 e ha partecipato a moltissime avventure per salvare vite umane. Dr.House ha vinto quattro Emmy e due Golden Globe.
I precedenti crediti cinematografici di Olivia Wilde includono: un cameo, insieme a Russell Crowe, nel film drammatico di Paul Haggis "The Next Three Days"; "Anno Uno", con Jack Black; "Alpha Dog" con Bruce Willis e Emile Hirsch per la Universal Pictures; "Quel genio di Bickford", per il quale ha vinto il premio come miglior attrice al Festival di Aspen; e "Conversations With Other Women, con Helena Bonham Carter e Aaron Eckhart.
Olivia Wilde ha inoltre interpretato e prodotto "Fix", la storia di dei documentaristi che corrono in tutta la California per ricevere aiuto per un parente. "Fix" ha aperto lo Slamdance Film Festival nel 2008 ed è uscito a New York a novembre 2009.
I suoi precedenti crediti televisivi comprendono: il film drammatico "Black Donnellys", creato da Paul Haggis; "Skin", prodotto da Jerry Bruckheimer; e un ruolo ricorrente nella serie della Fox, acclamata dalla critica, "The O.C." A teatro, Wilde è stata la protagonista di Beauty on the Vine nella produzione off-Broadway all'Epic Theatre Center.
Olivia Wilde è membro dell' Artists for Peace and Justice (APJ) ed è tra i membri fondatori dell'ACLU della California del Sud. Di recente si è unita con gli altri membri del consiglio dell' APJ Barbara Burchfield e Bryn Mooser per lanciare un nuovo capitolo dell'organizzazione dal nome Young Artists for Peace and Justice (YAPJ). YAPJ nasce per creare un movimento nei licei e nei college americani per contribuire a porre fine alla povertà supportando l'istruzione nei paesi in via di sviluppo.