Olga Kurylenko nasceu em 14 de novembro de 1979, em Berdyansk, Ucrânia, União Soviética. Sua mãe, Marina Alyabysheva, se divorciou do pai, Konstantin Kurylenko, logo após seu nascimento. Após o divórcio, sua mãe lutou para sobreviver como professora de artes. A jovem Olga Kurylenko foi criada pela mãe e pela avó, Raisa. Durante a sua juventude, Olga teve uma experiência humilhante de viver na pobreza; ela não teve escolha a não ser usar trapos e teve que cerzir os buracos do suéter. Durante os anos na Ucrânia estudou artes, línguas, fez 7 anos de escola musical estudando piano e frequentou um estúdio de balé até os 13.
Aos 13 anos, Olga e sua mãe viajaram para Moscou. Lá ela foi observada por um agente que a abordou em uma estação de metrô e lhe ofereceu um emprego como modelo. Inicialmente, a mãe de Olga ficou desconfiada, mas eventualmente Olga fez uma boa escolha profissional e treinou como modelo em Moscou. Aos 16 anos, ela estava pronta para o próximo passo. Ela se mudou para Paris, aprendeu francês em seis meses e foi contratada pela agência Madison. Aos 18 anos, Olga apareceu na capa da Glamour, depois estampou capas de revistas da Elle, Madame Figaro, Marie Claire e Vogue, e também se tornou o rosto das empresas de lingerie Lejaby, roupas Bebe, Clarins e Helena Rubinstein.
Em 1999, Olga se casou com seu amigo, o fotógrafo francês Cedric Van Mol, e se divorciou dele três anos e meio depois. Um dia, Olga se apresentou a uma agência de atuação. Eventualmente, ela trocou a passarela pelo celulóide e sua carreira de atriz decolou. Em 2005 estreou no cinema como Iris, uma beleza sensual em L'annulaire (2005) da diretora Diane Bertrand.
Ela apareceu ao lado de Elijah Wood em Paris, je t'aime (2006) e como Sofia em Le serpent (2006), depois co-estrelou como a bela russa Nika Boronina ao lado de Timothy Olyphant em Hitman (2007/I). Ela também aparece como Mina Harud no thriller de vigilância independente "Tyranny" (2008) e é anunciada como Camille, a Bond girl em Quantum of Solace (2008), uma sequência de Casino Royale (2006).
