Olga Konstantinovna Kurylenko lahir pada 14 November 1979 di Berdyansk, Ukraina, dari keluarga yang mengalami tantangan. Setelah orang tuanya bercerai, ia dibesarkan oleh ibunya dan neneknya dalam kondisi sulit dan kemiskinan. Sejak kecil, Olga belajar seni, bahasa, dan musik, termasuk piano dan balet.

Pada usia 13 tahun, ia dan ibunya pergi ke Moskow dan bertemu agen yang menawarkannya pekerjaan sebagai model. Dengan bantuan agen tersebut, Olga memulai karir modeling di usia 16 tahun dan pindah ke Paris, belajar bahasa Perancis dan menandatangani kontrak dengan agensi Madison. Ia tampil di sampul majalah terkenal dan menjadi wajah dari berbagai produk kosmetik dan pakaian.

Setelah menikah dengan fotografer Prancis Cedric Van Mol pada 1999, Olga kemudian beralih ke dunia akting, memulai debut filmnya di tahun 2005. Ia dikenal karena peran-perannya yang sensual dan natural, termasuk film-film seperti Hitman dan Le serpent. Puncaknya, ia mendapatkan peran utama sebagai Bond girl dalam Quantum of Solace (2008), yang memperluas popularitasnya secara internasional. Di tahun 2012, Olga membintangi film sci-fi Oblivion bersama Tom Cruise dan Morgan Freeman.