Olga Kurylenko è nata il 14 novembre 1979 a Berdyansk, Ucraina, Unione Sovietica. Sua madre, Marina Alyabysheva, ha divorziato da suo padre, Konstantin Kurylenko, subito dopo la sua nascita. Dopo il divorzio, sua madre ha lottato per sopravvivere come insegnante d'arte. La giovane Olga Kurylenko è stata allevata da sua madre e sua nonna Raisa. Durante la sua giovinezza, Olga ha vissuto l'umiliante esperienza di vivere in povertà; non aveva altra scelta che indossare degli stracci e doveva rammendare i buchi del maglione. Durante gli anni in Ucraina ha studiato arte, lingue, ha frequentato 7 anni di scuola musicale studiando pianoforte e ha frequentato uno studio di danza classica fino a 13 anni.
All'età di 13 anni, Olga e sua madre fecero un viaggio a Mosca. Lì è stata scoperta da un agente che le si è avvicinato in una stazione della metropolitana e le ha offerto un lavoro come modella. Inizialmente, la madre di Olga era sospettosa, ma alla fine Olga ha fatto una buona scelta professionale e ha iniziato a studiare come modella a Mosca. All’età di 16 anni era pronta per il passo successivo. Si trasferisce a Parigi, impara il francese in sei mesi e viene ingaggiata dall'agenzia Madison. All'età di 18 anni, Olga è apparsa sulla copertina di Glamour, poi ha abbellito le copertine delle riviste di Elle, Madame Figaro, Marie Claire e Vogue, ed è diventata anche il volto delle aziende di lingerie Lejaby, abbigliamento Bebe, Clarins e aziende cosmetiche Helena Rubinstein.
Nel 1999, Olga sposò il suo amico, il fotografo francese Cedric Van Mol, e divorziò da lui tre anni e mezzo dopo. Un giorno Olga si presentò a un'agenzia di recitazione. Alla fine, ha scambiato la passerella con la celluloide e la sua carriera di attrice è decollata. Nel 2005 ha fatto il suo debutto cinematografico nel ruolo di Iris, una bellezza sensuale in L'annulaire (2005) della regista Diane Bertrand.
È apparsa al fianco di Elijah Wood in Paris, je t'aime (2006) e nel ruolo di Sofia in Le serpent (2006), poi ha recitato nel ruolo della bellezza russa Nika Boronina accanto a Timothy Olyphant in Hitman (2007/I). Appare anche nel ruolo di Mina Harud nel thriller di sorveglianza indipendente "Tyranny" (2008) ed è annunciata come Camille, la Bond Girl in Quantum of Solace (2008), un sequel di Casino Royale (2006).
