1979. november 14-én Olga Konstantinovna Kurylenko néven látta meg a napvilágot Berdyansk nevű városban, Ukrajnában. Édesapja Kostyantyn Kurylenko, édesanyja pedig Marina Alyabusheva, aki orosz művészképzo tanár. Olga gyerekkori éveiben nagyon szegény volt a család, annyira, hogy Olgának egy-két ruhája volt csupán. Egy kis ukrajnai városban számos unokatestvérével és hat felnőttel kellett osztozniuk egy ütött-kopott lakótelepi lakáson. Hároméves volt, amikor szülei elváltak, és apja, Kosztyantin Kurilenko elhagyta a családot. A festészetet tanító anyja, Marina Aljabiseva, és nagyanyja, Rajisza nevelte.

Tizenhárom évesen Moszkvában véletlenül fedezte fel egy modellügynök. Kezdetben anyja ellenezte ugyan a modell-karriert, de látogatni kezdett egy moszkvai modelltanfolyamot. Közben művészetet és nyelvet tanult, valamint zongora- és táncleckéket vett. 1995-ben Párizsba utazott, ahol egy hat hónapos nyelvtanfolyamon vett részt. 1996-ban, 17 évesen kötött szerződést vele a párizsi Madison modellügynökség. 18 évesen már szerepelt a Vouge és az Elle divatmagazinok címlapján.

Filmes karrierje 2005-ben kezdődött Franciaországban, amikor a L’Annulaire című francia filmben Iris szerepét játszhatta el. 2006-ban már díjat kapott a Brooklyni Nemzetközi Filmfesztiválon. Legismertebb eddigi filmszerepe a 22. James Bond-filmben nyújtott alakítása. A 2008-as A Quantum csendje című filmben a Bond-lány, Camilla szerepét játszotta.

Olga Kurylenko jelenleg a szinglik életét éli, de már túl van két házasságon. 2000-ben házasodott meg egy francia divat fotográfussal, Cedric Van Mol-lal, de négy évvel később elváltak. 2006-ban ismét megházasodott, mégpedig az amerikai Damian Gabrielle -el. 2007 végén adták be a válópert.

Olga Kurylenko az egyik legígéretesebb színésznők közé tartozik, mivel az első filmje 2005-ben volt, most már 10 filmet csinált meg 4 év alatt. Nagyon erős a gyanú arra, hogy Olga továbbra is kapni fog filmszerepeket.