Ольга Константиновна Куриленко (Olga Kurylenko)родилась 14 ноября 1979 года в городе Бердянск, Запорожская область, Украина. Ее отец Константин Куриленко украинец, а мать Марина Алябишева, русско-белорусского происхождения родилась в Иркутске, работала учителем по рисованию. Вскоре после рождения дочери отец Ольги ушел из семью. Воспитанием девочки занималась мама и бабушка Раиса.
Ольга окончила музыкальную школу по классу фортепиано, ходила в балетную студию. В 1992 году, когда Ольге было 13 лет она с мамой переехала в Москву, где на одной из станции метро ее заметил модельный агент и предложил работу.

Сначала мама Ольги отнеслась к этому предложению подозрительно, но потом Ольга все-таки стала посещать курсу моделей а в 16 лет уже переехала в Париж, выучив французский за полгода. Свою карьеру во Франции она начала с работы в модельном агентстве Madison. Она появилась на обложке журнала Glamour, когда ей было уже 18 лет. Позже она уже украсила обложки Elle , Madame Figaro , Marie Claire , Vogue, а также стала лицом кампаний  Lejaby, Bebe clothing, Clarins and Helena Rubinstein.

В 2000 году Ольга Куриленко вышла замуж за французского фотографа Седрика ван Моля, сменив свое украинское гражданство на французское, пара рассталась через три года. Став свободной она начала сниматься на Западе.
Решив добиваться успеха в кинематографе, Ольга в 2003 году снялась в клипе Сила на песню «Love's Divine». В 2005 году она дебютировала в малобюджетном французском фильме «Перст любви». Но известна Куриленко стала после выхода фильма «Париж, я люблю тебя», сыграв вместе с Элайджа Вудом. В 2008 она стала девушкой Бонда в фильме «Квант Милосердия», в этом же году последовали фильмы с ее участием «Хитмэн», «Макс Пэйн».
Вторым мужем Куриленко в 2006  году стал американец  Демиан Габриэлл, бизнесмен, торгующий аксессуарами для телефонов, но в 2007 году она с ним развелась. В 2009 Куриленко решила переехать в Лондон. В 2011 году Ольга сказал, что снова собирается выйти замуж за неизвестного молодого мексиканского бизнесмена.