Olga Kurylenko gimė 1979 m. lapkričio 14 d. Berdjanske, Ukrainoje, Sovietų Sąjungoje. Jos motina Marina Alyabyševa netrukus po jos gimimo išsiskyrė su tėvu Konstantinu Kurylenko. Po skyrybų jos mama sunkiai išgyveno kaip dailės mokytoja. Jauną Olgą Kurylenko užaugino jos mama ir močiutė Raisa. Jaunystėje Olga patyrė nuolankią gyvenimo skurde patirtį; ji neturėjo kito pasirinkimo, kaip tik nešioti ... Daugiau skudurus ir turėjo daužyti skyles ant megztinio. Per metus Ukrainoje ji studijavo meną, kalbas, 7 metus muzikos mokykloje mokėsi fortepijono ir iki 13 metų lankė baleto studiją. Būdama 13 metų Olga ir jos mama išvyko į Maskvą. Ten ją apžiūrėjo agentas, kuris priėjo prie jos metro stotyje ir pasiūlė modelio darbą. Iš pradžių Olgos mama buvo įtartina, bet galiausiai Olga padarė gerą karjeros pasirinkimą ir Maskvoje mokėsi modelio. Būdama 16 metų ji buvo pasirengusi kitam žingsniui. Ji persikėlė į Paryžių, per šešis mėnesius išmoko prancūzų kalbą ir buvo pasirašyta Madisono agentūros. Būdama 18 metų Olga pasirodė ant Glamour viršelio, tada puošė Elle, Madame Figaro, Marie Claire ir Vogue žurnalų viršelius, taip pat tapo Lejaby apatinio trikotažo, Bebe drabužių, Clarins ir Helena Rubinstein kosmetikos kompanijų veidu. 1999-aisiais Olga ištekėjo už savo draugo, fotografo prancūzo Cedrico Van Molo ir po trejų su puse metų su juo išsiskyrė. Vieną dieną Olga prisistatė vaidybos agentūrai. Galiausiai ji podiumą iškeitė į celiulioidą, ir aktorės karjera įsibėgėjo. 2005 m. ji debiutavo kine kaip Iris, jausminga gražuolė režisierės Diane Bertrand filme „L'annulaire“ (2005). Ji pasirodė prieš Elijahą Woodą filme „Paryžius, je t'aime“ (2006 m.) ir kaip Sofiją filme „Le gyvatė“ (2006), vėliau vaidino kaip Rusijos gražuolė Nika Boronina su Timothy Olyphant filme „Hitman“ (2007/I). Ji taip pat pasirodo kaip Mina Harud indy stebėjimo trileryje „Tyranny“ (2008 m.) ir vadinama Camille, Bondo mergina filme „Paguodos kvantas“ (2008), „Casino Royale“ (2006 m.) tęsinyje.