Olga Kurylenko connait une enfance difficile, dans la pauvreté, en ex URSS. Elle commence par faire du ballet, jusqu'à l'âge de 13 ans; c'est alors qu'elle commence une carrière de mannequin, en Russie. A l'âge de 16 ans, elle part pour la France, et deux ans plus tard elle fait les couvertures des plus grands magazines de mode (dont Vogue).
Elle épouse en 1999 le photographe français Cedric Van Mol, obtenant par la même la nationalité française, et ce malgré un divorce prononcé trois ans plus tard.
En 2005, elle fait ses débuts à l'écran, dans l'annulaire. Ce film (et bien sur sa performance) lui ouvre la porte à de plus grosses productions. Ce sera d'abord Paris, je t'aime, où elle envoutera Elijah Wood, puis le serpent, où elle côtoiera Yvan Attal et Clovis Cornillac. En 2007, elle tient le premier rôle féminin de Hitman, une production Luc Besson.
Mais c'est en 2008 qu'elle deviendra véritablement célèbre, en jouant la James Bond Girl de Quantum of Solace.
 
Olga Kurylenko parle couramment, en plus de sa langue natale, le russe, l'anglais et le français.