Родилась 14 ноября 1979 года в украинском городе Бердянске. Когда Ольге было три года, родители ее разошлись, и девочка осталась на воспитании матери, которая работала учительницей. Финансовое положение их семьи было довольно тяжелым, но Ольга с юных лет увлекалась игрой на фортепьяно, балетом и изучением английского языка. А за хорошую учебу в школе мама будущей актрисы сперва отправилась с ней в Санкт-Петербург, а через год в Москву, где на тогда совсем еще юную красавицу и обратил внимание представитель модельного агентства.
Вскоре Куриленко уже закончила курсы моделей и начала свою карьеру, а когда ей исполнилось шестнадцать лет, переехала в Париж, где у нее был контракт с агентством Madison. На новом месте Ольге пришлось нелегко, ей было сложно прижиться в чужой стране да еще и без знания языка. Но все сложилось лучшим образом, и через пару лет ее снимок был на обложке популярного журнала Glamour, а следом и на обложках таких журналов, как Elle и Vogue, также Куриленко стала лицом нескольких модных брендов. В тот же период девушка впервые вышла замуж за фотографа, брак с которым продлился три года. А в 2005-м году состоялся и дебют Куриленко в кино, тогда она сыграла в ленте «Перст любви» и была отмечена на Бруклинском международном кинофестивале.
Следующая роль в паре с Элайджей Вудом в киноальманахе «Париж, я люблю тебя» заставила обратить на Ольгу внимание деятелей кино. Вскоре с ее участием свет увидели такие фильмы, как «Змей», «Хитмэн» и «Макс Пэйн». Но настоящим актерским триумфом стала для Куриленко главная роль в очередной серии бондианы «Квант милосердия» (2008), где Ольга исполнила роль девушка легендарного агента британской разведки. Чуть позднее она снялась в картинах «Центурион», «Там обитают драконы», «Экспат» и «Семь психопатов».