Olga Kurylenko nació el 14 de noviembre de 1979 en Berdyansk, Ucrania, Unión Soviética. Su madre, Marina Alyabysheva, se divorció de su padre, Konstantin Kurylenko, poco después de su nacimiento. Después del divorcio, su madre luchó por sobrevivir como profesora de arte. La joven Olga Kurylenko fue criada por su madre y su abuela Raisa. Durante su juventud, Olga tuvo la humillante experiencia de vivir en la pobreza; no tuvo más remedio que vestir harapos y tuvo que zurcir los agujeros de su suéter. Durante los años en Ucrania estudió arte, idiomas, hizo 7 años de escuela de música estudiando piano y fue a un estudio de ballet hasta los 13.
A los 13 años, Olga y su madre viajaron a Moscú. Allí fue descubierta por un agente que se acercó a ella en una estación de metro y le ofreció trabajo como modelo. Al principio, la madre de Olga sospechaba, pero finalmente Olga tomó una buena decisión profesional y se formó como modelo en Moscú. A los 16 años, estaba lista para el siguiente paso. Se mudó a París, aprendió francés en seis meses y firmó con la agencia Madison. A los 18 años, Olga apareció en la portada de Glamour, luego apareció en las portadas de revistas de Elle, Madame Figaro, Marie Claire y Vogue, y también se convirtió en el rostro de las compañías de lencería Lejaby, ropa Bebe, Clarins y Helena Rubinstein.
En 1999, Olga se casó con su amigo, el fotógrafo francés Cedric Van Mol, y se divorció de él tres años y medio después. Un día Olga se presentó en una agencia de actuación. Finalmente, cambió la pasarela por el celuloide y su carrera como actriz despegó. En 2005 debutó en el cine como Iris, una belleza sensual en L'annulaire (2005) de la directora Diane Bertrand.
Apareció junto a Elijah Wood en París, je t'aime (2006) y como Sofia en Le serpent (2006), luego coprotagonizó a la belleza rusa Nika Boronina junto a Timothy Olyphant en Hitman (2007/I). También aparece como Mina Harud en el thriller de vigilancia independiente "Tyranny" (2008) y es anunciada como Camille, la chica Bond en Quantum of Solace (2008), una secuela de Casino Royale (2006).
