Ольга Куриленко родилась в городе Бердянске Запорожской области. Мать — русско-белорусского происхождения, отец — украинец. Родители развелись вскоре после рождения дочери. Со своим отцом будущая актриса и модель не поддерживала отношения, впервые встретившись с ним лишь в возрасте восьми лет. Воспитывалась матерью и бабушкой. В квартире с Ольгой жили её тётя, дядя, бабушка, дедушка и двоюродный брат.
Семья жила бедно. Жить приходилось на одну маленькую зарплату матери - учительницы рисования. Бывало, что семья голодала, а Оля ходила в школу в обносках. Как она рассказывала, однажды маме пришлось отрезать кусок ткани от своего пальто, чтобы сшить ей одежду. С 8 лет учила английский язык, 7 лет обучалась игре на фортепиано, ходила в балетную студию. Училась в школе № 16 города Бердянска.
В 1992 году в возрасте 13 лет Ольга и её мать переехали жить в Москву. В российской столице видную девушку, которая с детства отличалась красотой, приметила режиссер проекта «Академия звезд» Наталья Кременская и предложила учиться в Академии на модель. Поступив в Академию, она проучилась там три года. В 16 лет она переехала работать в Париж и вскоре подписала контракт с агентством Madison. В 18 лет ее лицо украшало обложки таких крупных изданий, как Elle, Vogue, Madame Figaro и Marie Claire. Она стала лицом нижнего белья Triumph, Lejaby, марки Bebe, косметической фирмы Clarins и Helena Rubinstein. Она также участвовала в показах Roberto Cavalli и Kenzo и снималась для каталога Victoria's Secret. В 18 лет Ольга появилась на обложке Glamour, ELLE, Madame Figaro, Marie Claire и Vogue, она также стала лицом компании Lejaby, Bebe clothing, Clarins and Helena Rubinstein.
Впервые появилась в кино в 2001-м, в приключенческо-криминальном фильме «Ларго Винч». Также снималась в видеоклипах, например, у певца Сила в ролике на композицию «Love's Divine». Первую главную роль в кино сыграла в малобюджетном эротическом фильме «Перст любви» (2005) французского режиссёра Дианы Бертран. Известность как к актрисе к ней пришла после выхода фильма «Париж, я люблю тебя» (2006), когда она сыграла в паре с Элайджей Вудом.
В январе 2008 года была выбрана на роль «девушки Джеймса Бонда» - Камиллы - в очередном фильме сериала про агента 007 «Квант милосердия». Она стала первой славянской актрисой, сыгравшей подругу Бонда. Для проката фильма в России Ольга сама озвучивала свою роль. "Камилла - нетипичная девушка Бонда. Она сильная женщина. В детстве пережила трагедию, потеряла семью, едва сама не погибла. И теперь месть - ее цель. Камилла умеет стрелять, драться, прыгать с парашютом. Она всю свою жизнь готовилась совершить возмездие и не собирается отступать от своей идеи ради Бонда", - говорила Ольга о своей героине.
После роли Камиллы предложения на съемки стали поступать одно за другим - «Стены», «Центурион», картина «Земля забвения» Джозефа Косински с Томом Крузом и Морганом Фриманом в главных мужских ролях, «Экспат», сериал «Волшебный город» и фильм «Семь психопатов» продолжили список ее работ. Она снялась в одном из самых дорогих китайских 3D фильмов «Глубинные империи», который по спецэффектам не уступает «Аватару» Джеймса Кэмерона (сыграла русалку). В ленте «Ускорение» Алекса Фаррадея она сыграла опытную воровку, за которой охотится криминальный синдикат.
Затем исполнила главные роли в лентах «Смерть Сталина» (Мария Юдина), «Несносный мачо» (Шейла), «Мара. Пожиратель снов» (Кейт Фуллер), «Пятнадцать минут войны» (Джейн Андерсен), «Курьер» (курьер), «Комната желаний» (Кейт).
Личная жизнь
В 2000—2004 года Ольга была замужем за фотографом Седриком ван Молем и в то же время сменила украинское гражданство на французское. В 2006—2007 года Ольга была замужем за американским предпринимателем Демианом Габриэллом. Одно время встречалась с актером и режиссером Дэнни Хьюстоном.
Затем у Ольги начался роман с актером и журналистом Максом Бенитцем, известным зрителям по фильму "Хозяин морей: На краю Земли". Свои отношения с ним Ольга долго скрывала, также как и беременность от Макса. 3 октября 2015 года она родила сына, которого назвали Александр Марк Горацио.
Летом 2021 года Ольга Куриленко появилась на обложке журнала «Country & The House», а также дала изданию большое интервью. Куриленко впервые высказалась о скандале с продюсером Харви Вайнштейном, которого приговорили к 23 годам тюрьмы из-за обвинений в сексуальных домогательствах и нескольких изнасилованиях. По словам актрисы, она не считает себя одной из его жертв: «Я никогда не говорила об этом, потому что, честно говоря, я не считаю себя жертвой. Он пытался что-то сделать, но я была осторожна. Я сказала ему «нет», после чего он попытался обнять меня, но я оттолкнула его и выбралась оттуда. Впоследствии меня это не беспокоило, потому что я очень сильный человек. И, может быть, я привыкла к мужчинам, которые пытаются добиться меня. Это было не в первый раз. Мне было бы все равно, если после этого я бы никогда не поработала с ним. Есть миллион проектов, в которых я могу участвовать, так зачем он мне?». В интервью «Country & The House» актриса также призналась, что у нее зарождаются новые отношения. Однако всех секретов актриса раскрывать не стала, и имени избранника не назвала: «Это очень ново, поэтому я не уверена, могу ли я называть его своим партнером». Актриса отметила, что мечтает о втором ребенке: «Не знаю, с кем свяжу себя в жизни в будущем, но этот мужчина должен разделять моё желание завести ещё одного ребенка... Я очень хочу, чтобы у моего сына были брат или сестра. Я была единственным ребенком в семье, и я это ненавидела. И не хочу допустить того же для Александра. Поэтому очень хочу снова стать матерью. В идеале это хорошо бы сделать сейчас, не затягивать. Но для этого нужен мужчина. Его нужно найти».