Ольга Куриленко родилась 14 ноября 1979 года в городе Бердянск, Украина. Мать русская, отец украинец. Родители развелись вскоре после рождения дочери. В детстве Ольга учила языки, изучала фортепьяно и ходила в студию балета.
В 1992 году семья переехала в Москву. Там модельный агент случайно встретив Ольгу в метро сделал ей предложение поработать. В возрасте 16 лет она переехала работать в Париж и подписала контракт с агенством Madison. В возрасте 18 лет, Ольга появилась на обложке журналов Glamour, ELLE, Madame Figaro, Marie Claire и Vogue.
В 1999 Ольга вышла замуж за французского фотографа Седрика ван Моля и развелась с ним спустя три года. Первый опыт в кино — главная роль в малобюджетном эротическом фильме L’Annulaire (2005) французского режиссёра Дианы Бертран. Приобрела известность как актриса после выхода киноальманаха «Париж, я люблю тебя» (2006), сыграв вампиршу в эпизоде с Элайджей Вудом. Первыми заметными работами в полнометражном кино были образы «загадочных русских девушек» в экранизациях видеоигр. Роль «девушки Бонда» в «Кванте милосердия» стала для Ольги Куриленко первой ролью первого плана.
В отечественном прокате актриса известна традицией собственноручно озвучивать в дублированной версии свои роли, по какой причне запомнилась зрителю своим необычным акцентом.
