Nascida em Nova York, Olivia Wilde passou boa parte da infância em Washington, capital dos Estados Unidos. Aproveitando-se da dupla nacionalidade (é filha de pai irlandês), se mudou para Dublin com o objetivo de estudar na tradicional Escola Gaiety de Atuação. No final dos estudos, se mudou para Los Angeles e deu início a sua trajetória de sucesso.

Em 2004, fez sua estreia nos cinemas com um pequeno papel em Um Show de Vizinha, com Emile Hirsch e Elisha Cuthbert. No mesmo ano, entrou para o elenco da série O.C. - Um Estranho no Paraíso. Participou de 13 episódios e ficou marcada por protagonizar uma cena de beijo com Mischa Barton.

Atuou em produções independentes como Nosso Amor do Passado e Alpha Dog, até que ganhou seu primeiro papel de protagonista com o terror/suspense Turistas. O filme foi um fracasso nos Estados Unidos, mas recebeu muitas críticas por aqui ao retratar um grupo de jovens sendo perseguido por um psicopata brasileiro.

Com papéis menores no cinema, como em A Vida e a Morte De Bobby Z e Ano Um, voltou para a televisão em busca do sucesso. E a tática deu muito certo. Como a médica Remy Hadley (13, para os mais íntimos) do seriado House, Wilde ganhou espaço em um dos programas mais assistidos dos Estados Unidos e em pouco tempo chamou a atenção de Hollywood.

Vegetariana, foi eleita pela revista Maxim a mulher mais sexy do mundo em 2009. No ano seguinte, estrelou Tron - O Legado e contracenou com Russell Crowe e Elizabeth Banks em 72 Horas. Teve um ano movimentado em 2011, se despedindo da série House e participando de Cowboys & Aliens, Eu Queria Ter a Sua Vida e O Preço do Amanhã.