В квартире с Ольгой жили её тётя, дядя, бабушка, дедушка и двоюродный брат. Мать — русско-белорусского происхождения, отец — украинец. Родители развелись вскоре после рождения дочери. Воспитывалась матерью и бабушкой. С 8 лет учила английский язык, 7 лет изучала фортепиано и ходила в балетную студию. Училась в школе № 16 города Бердянска.
В 1992 году в возрасте 13 лет Ольга и её мать переехали жить в Москву. В возрасте 16 лет она переехала работать в Париж и после подписала контракт с агентством Madison. В возрасте 18 лет Ольга появилась на обложке Glamour, ELLE, Madame Figaro, Marie Claire и Vogue, она также стала лицом компании Lejaby, Bebe clothing, Clarins and Helena Rubinstein.
В 1999 году Ольга вышла замуж за своего друга, французского фотографа Седрика ван Моля и сменила украинское гражданство на французское. Спустя три года пара развелась. Вторым мужем Ольги был американский предприниматель Демиан Габриэлл, с которым она развелась в 2007 году. В 2011 году Ольга объявила, что выходит замуж за неназванного молодого мексиканского бизнесмена.
Первый опыт в кино — главная роль в малобюджетном эротическом фильме «Перст любви» (2005) французского режиссёра Дианы Бертран. Приобрела известность как актриса после выхода фильма «Париж, я люблю тебя» (2006), сыграв в паре с Элайджей Вудом. В январе 2008 года выбрана на роль «девушки Джеймса Бонда» в очередном фильме сериала про агента 007.
Реклама кофе Carte Noire с участием Ольги снята во Франции задолго до того, как она сыграла в Бондиане.
В настоящее время Куриленко занята в самом дорогом китайском 3D фильме «Глубинные империи», который по спецэффектам должен превзойти «Аватар» Джеймса Кэмерона. В картине Куриленко играет русалку.