Росла в бідності, у звичайній радянській комунальній квартирі. Батько дівчини, Костянтин Куриленко, залишив сім'ю незабаром після її народження. Після розлучення її мати, Марина Алябішева, працювала вчителем малювання, Ольгу виховувала бабуся Раїса. В молодості Ольга отримала досвід життя в чотирикімнатній комунальній квартирі разом із шістьма сусідами і кількома дітьми.
Коли дівчині було 13 років, вона разом із матір'ю поїхала на канікули до Москви. Там її випадково знайшла одна з модельних агентів, що підійшла до неї на станції метро та запропонувала роботу моделі. Спочатку мати Ольги була налаштована негативно, але врешті-решт Ольга прийняла пропозицію та почала відвідувати курси моделей у Москві. Разом із тим вона вивчала мистецтво, мови, гру на фортепіано та танці. Наступні три роки дівчинка їздила між Москвою і Бердянськом.
У 2000 році Ольга вийшла заміж за французького фотографа Седріка Ван Моля, але їхній шлюб тривав усього два роки. Після цього вона отримала свободу, а французький паспорт дозволив їй мандрувати й працювати на Заході. Згодом Ольга пішла до акторської агенції і відмовилась від кар'єри моделі на користь кінематографа. ЇЇ акторська кар'єра стрімко пішла вгору.
Кінематографічні ролі Ольги були виключно палкими, а її натуральна краса та відверта еротичність привернули увагу чоловічої аудиторії. Вона знялася у фільмах «Париже, я люблю тебе» (2006) та «Змія» (2006), а потім зіграла російську красуню Ніку Вороніну, дівчину Тімоті Оліфанта у фільмі «Хітмен» (англ.Hitman, 2007).
У 2006—2007 роках акторка перебувала у шлюбі з американським підприємцем Деміаном Габрієллом[8].
Ольга зіграла роль Камілли, дівчини Джеймса Бонда, у фільмі «Квант милосердя» (2008), що є продовженням фільму «Казино Рояль» (2006). Затвердження Куриленко на роль дівчини Бонда зробило її ім'я відомим на весь світ — вона стала першою українкою, яка обійшла в кастингу на цю роль таких акторок як Кемерон Діаз, Сієна Міллер та багатьох інших.
У 2009 році акторка переїхала до Лондона. У червні 2010 року розпочалися зйомки франко-українського фільму «Земля забуття», який розповідає про вплив на долі людей аварії на ЧАЕС. Одну з головних ролей у фільмі грає Ольга Куриленко — це її перші зйомки в Україні[9].
3 жовтня 2015 року акторка народила сина Александра Марка Гораціо, від британського письменника Макса Беніца, з яким на той час перебувала у стосунках[11].
У 2017 році вона знялася у політичній сатиричній стрічці Армандо Іаннуччі "Смерть Сталіна" в ролі радянської піаністки Марії Юдіної. Фільм мав успіх у критиків, а в головних ролях зіграли Стів Бушемі, Саймон Рассел Біл, Джейсон Іссакс, Майкл Пейлін і Джеффрі Тембор. Наступного року вона знялася в епічному пригодницькому фільмі Террі Гілліама "Людина, яка вбила Дон Кіхота" (2018) з Адамом Драйвером і Джонатаном Прайсом у головних ролях, прем'єра якого відбулася на Каннському кінофестивалі 2018 року. Вона також зіграла баронесу Роксану де Жіверні у фільмі "Імператор Парижа" та російську шпигунку у комедійній стрічці "Джонні Інгліш знову завдає удару" (2018) з Роуеном Аткінсоном.
15 березня 2020 року повідомила, що їй діагностовано коронавірусне захворювання COVID-19, і що вона вже тиждень перебуває в ізоляції вдома у Лондоні та що головні її симптоми — підвищена температура і слабкість[12]. 20 березня акторка повідомила, що стан її стабілізувався й вона одужала[13].
У 2021 році вона знялася в екшн-трилері "Вартовий"[14]. Того ж року вона зіграла Антонію Дрейков / Таскмастер у фільмі "Чорна вдова" кіновсесвіту Marvel[15][16]. У жовтні вона отримала роль у комедійному фільмі про пограбування "Спека" разом з Доном Джонсоном[17].
Чесно кажучи, все це викликає у мене сум. Ми, росіяни і українці, - один і той же народ - слов'яни. Ми нічим один від одного не відрізняємося. Того, що відбувається, не повинно бути між братами і сестрами. Так що це абсурдно, як і всі війни без винятку. Хоча завжди зазначається, що переможець є, але на практиці їм ніхто не є. Оскільки люди гинуть і з того, і з іншого боку, і це величезне нещастя. У кожній війні гинуть тисячі людей. Заради чого? Заради мінімальної зміни? А іноді навіть і цього не буває. Воно того не варте.
Оригінальний текст (ісп.)
Todo me resulta francamente triste. Rusos y ucranianos somos la misma gente, eslavos. No nos diferenciamos en nada. Lo que está pasando no debería ocurrir entre hermanos y hermanas. Así que es absurdo, como todas las guerras sin excepción. En serio, en los conflictos, y esto también se ve en El maestro del agua, nunca hay un auténtico ganador. Aunque siempre se acepte que hay un vencedor, en la práctica nadie lo es. Porque la gente muere en ambos bandos, y eso es una desgracia enorme. En cada guerra se pierde a miles de personas. ¿Por qué? ¿Por un cambio mínimo? Y a veces ni siquiera a cambio de eso. No merece la pena.
У травні 2020 року актриса заявила, що не вважає себе українкою, а її ДНК-тест показує «слов'янське» походження. Ця заява спричинила скандал в українському інформаційному просторі[21].
↑Суспільство // УКРАЇНА У ВІДГУКАХ ЗАРУБІЖНОЇ ПРЕСИ (аналітичний огляд преси), Випуск 8 (огляд матеріалів ЗМІ за 17 – 29 квітня 2015 р.). 2015. 15 стор.: С. 10-11