Ольга Куриленко родилась 14 ноября 1979 года в городе Бердянске Запорожской области. Мать Марина Алябышева родом из Иркутской области, имеет русско-белорусские корни. Родители развелись вскоре после рождения дочери. Воспитывалась матерью и бабушкой. С 8 лет учила английский язык, с 7 лет игре на фортепиано и ходила в балетную студию. Училась в школе № 16 города Бердянска. 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 была выбрана на роль «девушки Джеймса Бонда» в очередном фильме сериала про агента 007.