Появилась на свет 6 октября 1986 года в Нью-Йорке, в состоятельной семье: ее мать – исполнительный директор в крупном рекламном агентстве. Социальный статус и материальный достаток позволил родителям отдать Оливию во Friends Seminary, лучшую частную школу, расположенную в элитном районе города – Ист-Виллидж.
Драматическим мастерством Тирлби увлекалась с детства. Она часто проводила лето в лагерях искусствFrench Woods Festival of the Performing Arts и Usdan Center for the Creative and Performing Arts. Окончив школу, Оливия прошла стажировку в театре «Глобус», затем поступила в лондонскую Британскую академию театра и кино.
Кинодебют молодой актрисы – драма Пола Гринграсса «Потерянный рейс» о событиях 11 сентября 2001 года . Картина вышла в прокат в 2006-м, кассовые сборы составили 76 миллионов долларов при бюджете в 15. Параллельно Оливия играла в сериале канала NBC «Похищенный».
На волне популярности Тирлби активно приглашали сниматься. В 2007 году она отметилась в драме «Джуно» Джейсона Райтмана и мелодраме Венсана Переса «Секрет» (в этой ленте актриса исполнила первую за свою кинокарьеру главную роль).
В 2008 году Оливии предложили воплотить Молли в театральной постановке «Фаррагут-Норт». Снова на сцене актриса появилась лишь спустя 4 года – в спектакле «Одинокая, не я».
В 2008-м на экраны вышел всего один фильм с участием Тирлби – комедия Джонатана Левина «Безумие». Зато в 2009 году она сыграла сразу в пяти картинах (в том числе в киноальманахе «Нью-Йорк, я люблю тебя», где ее партнерами стала целая плеяда знаменитостей, и комедийной мелодраме «Человек, который все знал») и одном телесериале («Смертельно скучающий»).
В 2010 актриса отметилась в комедии «Больше, чем секс» Айвена Райтмана вместе с Натали Портман и Эштоном Кутчером.
Через год Тирлби снялась в блокбастере продюсера Тимура Бекмамбетова и режиссера Криса Горака «Фантом». Кассовые сборы ленты в два раза превысили первоначальный бюджет. Параллельно Оливия работала над драмой Пола Вайца «Быть Флинном» вместе с легендарным американским актером Робертом Де Ниро.
Новая волна популярности накрыла актрису после выхода боевика Пита Тревиса «Судья Дредд 3D» с Карлом Урбаном, долгожданной экранизации популярного одноименного комикса. Запредельная жестокость и натуралистичность вкупе с захватывающим сюжетом и уникальной технологией замедленной съемки сделали фильм культовым – правда, в узких кругах: в широком прокате фильм собрал всего 50 миллионов долларов (бюджет – 35 миллионов).
