Родился 18 ноября 1968 года в Далласе, штат Техас, в семье ирландско-американского происхождения: телеоператора Роберта Уилсона и фотографа. У Оуэна есть два брата: старший - Эндрю, и младший - Люк, оба актеры. Особенность внешности актера – крупный нос с горбинкой, результат двойного перелома в детстве.
Оуэн поступил в военный институт Нью-Мехико и в университет штата Техас в Остине, который успешно окончил со степенью бакалавра. Его кинодебют – фильм Уэса Андерсона «Бутылочная ракета», сценарий к которому был написан самим Уилсоном в соавторстве с режиссером. Они также вместе написали сценарий к картине 2001 года «Семейка Тененбаум», за который были номинированы на премии «Оскар» и BAFTA в категории «Лучший оригинальный сценарий».
Удача пришла к Уилсону после знакомства с актером и кинорежиссером Беном Стиллером, который, будучи поклонником «Бутылочной ракеты», пригласил Оуэна в проект «Кабельщик». После незначительных эпизодических ролей в фильмах «Анаконда», «Армагеддон» и «Призрак дома на холме» Оуэн появился в роли второго плана в биографической картине «Вечная полночь» и в главной роли серийного убийцы в ленте «Лишенный жизни». Одновременно он снялся в эпизоде женского скейтбордического видео Yeah Right!. Прорыв в карьере произошел в 2000 году после выхода приключенческого комедийного вестерна «Шанхайский полдень». Напарником Уилсона стал Джеки Чан. В мировом прокате фильм собрал почти 100 миллионов долларов.
Следующая картина - комедия «Образцовый самец», в которой Уилсон снялся вместе с Беном Стиллером в 2001 году, также имела успех у зрителей. Актер Джин Хэкмен, оценивший игру Оуэна в «Шанхайском полдне», порекомендовал его создателям триллера «В тылу врага», основанного на реальных событиях. В 2002 году на экраны вышел комедийный шпионский боевик «Обмануть всех», ремейк телесериала 60-х годов. Партнером Оуэна по съемочной площадке стал Эдди Мерфи. После этого Уилсон снова сыграл с Джеки Чаном в сиквеле «Шанхайские рыцари». В 2004 году в прокат вышел ремейк телесериала «Убойная парочка: Старски и Хатч», Оуэн принял участие в экранизации романа Жюль Верна «Вокруг света за 80 дней» вместе со своим братом Люком. В 2005 году актеру дали роль в комедии «Незваные гости». Фильм собрал в прокате США более 200 миллионов долларов и получил несколько молодежных премий. В ленте «История Уэнделла» можно было снова увидеть братьев Уилсонов. В 2006 году Оуэн озвучил главного героя мультфильма «Тачки» Молнию Маккуина.
В следующем году на Венецианском кинофестивале состоялась премьера приключенческой трагикомедии «Поезд на Дарджилинг. Отчаянные путешественники». Партнерами Уилсона по фильму стали Эдриен Броуди и Джейсон Шварцман. После этого вышли комедия «Школа выживания» и трагикомедия «Марли и я», где Оуэн сыграл совместно с Дженнифер Энистон. В 2011 году Уилсон исполнил главную роль в ностальгической романтической комедии культового режиссера Вуди Аллена «Полночь в Париже». Картина стала самым кассовым фильмом Аллена в прокате и была хорошо принята критиками.
В начале 2000-х годов Оуэн встречался с певицей Шерил Кроу. На съемках комедии «Он, я и его друзья» Уилсон познакомился с Кейт Хадсон. Несмотря на сложные отношения между героями фильма, в реальной жизни актеры оказались более расположены друг к другу: вскоре стало официально известно о начавшемся романе. Разрыв с Хадсон поверг Уилсона в тяжелую депрессию и привел к попытке самоубийства. В 2012 году у него родился сын от Джейд Дуэлл.
