Olga Kurylenkos Steckbrief begann im Modelbusiness. Als 13-Jährige wurde sie in Moskau entdeckt und unterschrieb vier Jahre später ihren ersten Modelvertrag bei einer Firma aus Paris. Bereits ein Jahr später hatte sie es auf das Cover international bekannter Magazine wie "Vogue" und "Elle" geschafft. Zu ihren Auftraggebern zählten große Firmen wie "Bebe", "Triumph" und "Helena Rubinstein". Auch den "Victoria's Secret" Katalog ließ Olga Kurylenko nicht aus.
Auf die Fernsehbildschirme schaffte es das Model erstmals 2003 im Video zu Seals Hit "Love's Divine". Doch ihre eigentliche Karriere als Schauspielerin begann in Frankreich. Für ihre Rolle in dem Film "L'Annulaire" erhielt sie 2006 beim "Brooklyn International Film Festival" den "Certificate of Excellence Award". Ein Jahre später folgte ihre Rolle in "Hitman", die ihrer Karriere den richtigen Schwung verlieh. 2008 folgte dann die Rolle des Bond Girls im 22. Bond Film. Sie spielt eine Bolivianische Geheimagentin, die sich mit Bond zusammentut, um den Tod ihres Vaters zu rächen. Diese Rolle wurde in ihrer ukrainischen Heimat mit gemischten Gefühlen aufgenommen: man warf der Schauspielerin moralischen und intellektuellen Betrug vor. Eine Kritik, die wohl eher als PR-Gag für Olga Kurylenko verbucht werden kann. Sonst wäre wohl auch nicht im selben Jahr vorgeschlagen worden, eine Straße in ihrer Heimat nach Kurylenko zu benennen.
Die Schauspielerin ist die Tochter von russischen und ukrainischen Eltern, nahm aber 2001 die französische Staatsbürgerschaft an. Von 2000 bis 2004 war Olga Kurylenko mit dem Fotografen Cedric van Mol verheiratet. Auch ihre zweite Ehe mit dem US-amerikanischen Unternehmer Damian Gabrielle hielt nur ein knappes Jahr.