Oliver Mommsen wurde als Sohn des Stahlunternehmers Nino Adalbert Mommsen (1937–1986) und dessen Frau Claudia, geb. Schmidt, in Düsseldorf geboren.[1][2] Er ist der Ururenkel des Historikers und NobelpreisträgersTheodor Mommsen.[3][4] Sein Stiefvater war der Tennisspieler und dreifache deutsche Tennismeister Ingo Buding (1942–2003).[5] Mommsen besuchte zunächst das Internat Schloss Salem in Baden-Württemberg und wechselte dann an das Internatsgymnasium Louisenlund in Schleswig-Holstein, wo er 1988 Abitur machte.[6] Im Anschluss studierte er seit Oktober 1991 Indische Kunstgeschichte an der Freien Universität Berlin und absolvierte dann die Schauspielschule von Maria Körber.[1] Es folgten Engagements in Zürich und Berlin. 2001 spielte Mommsen an der Seite von Laura Tonke in dem Spielfilm Junimond.
Nachdem Rufus Beck nach zwei Folgen an der Seite von Sabine Postel als Hauptkommissarin Inga Lürsen das Bremer Team verlassen hatte, wurden drei Bremer Folgen der Fernsehreihe Tatort mit wechselnden Assistenten gedreht. Seit 2001 spielte Oliver Mommsen an der Seite Sabine Postels den Ermittler Nils Stedefreund. 2006 spielte er in der ARD-SerieDas Beste aus meinem Leben die Rolle des Max Miller. 2009 wirkte Mommsen im Film Faktor 8 – Der Tag ist gekommen als Gregor Hecker mit. 2010 spielte er in dem Sat.1-Spielfilm Sind denn alle Männer Schweine an der Seite von Valerie Niehaus mit. 2012 war er, zusammen mit Jasmin Gerat, im Sat.1-Film Tierisch verknallt zu sehen. 2019 wurde die Bremer Tatort-Reihe mit Lürsen und Stedefreund eingestellt.[7]
Oliver Mommsen engagierte sich von 2005 bis 2020 für die SOS-Kinderdörfer als Pate, Botschafter und vor der Kamera. Er ist Schirmherr des Berliner „All Nation Festivals“. Bei einem Besuch im SOS-Kinderdorf in Nairobi für die VOX Aktion „Gib mir fünf“ überzeugte er sich von der Arbeit vor Ort. Außerdem unterstützte Mommsen die SOS-Kinderdörfer weltweit immer wieder bei der Aktion „Kinder laufen für Kinder“ und engagierte sich 2012 mit einem TV-Spot für die SOS-Patenaktion.[10]
Seit 2017 ist er für den Weißen Ring als Botschafter aktiv. Er unterstützt die Hilfsorganisation für Opfer von Kriminalität im Rahmen einer Plakatkampagne und Videoclips[11], bei der auch weitere Darsteller von Fernsehkommissaren wie Steffen Schroeder und Ulrike Folkerts sowie TV-Anwalt Ingo Lenßen zu sehen sind.[12]