Olivia Thirlby s-a nascut in New York, SUA, pe data de 6 octombrie 1986. A urmat o scoala particulara din Manhattan numita Seminarul Prietenilor. A marturisit ca atunci cand era mica ii placea foarte mult Shakespeare, iar interesul pentru acesta l-a dezvoltat atunci cand a jucat la American Globe Theatre. Lucrul care a marcat inceputul carierei de actrita pentru Olivia a fost combinatia dintre American Globe Theatre și scoala de regie teatrală. Atat de mult si-a dorit sa devina actrita incat s-a inscris la cursuri suplimentare la Royal Academy of Dramatic Art, iar putin mai tarziu s-a inscris la British Academy of Stage and Screen Combat.
In momentul in care l-a intalnit pe regizorul francez Luc Besson, in anul 2003, pregatirea Oliviei a luat sfarsit. Intalnirea a avut ca scop un eventual rol pe care ea il putea primi in filmul "The Secret" al lui Perez Vincent. Pana la urma a primit rolul, dar acesta nu a promovat-o in lumea actorilor profesionisti. In anul 2006 Olivia a mai primit un rol in filmul "United 93" care a fost nominalizat la Oscar. Dupa aceste roluri ea a ramas in lumea televiziunii si a filmului, iar la scurt timp a mai primit cateva roluri in filme de scurt metraj cum ar fi: "Snow Angels" (unde a colaborat cu Kate Beckinsale și Sam Rockwell) si "Unlocked". Cu toate acestea inca astepta rolul care avea sa o faca cunoscuta, iar acesta se pare ca a venit in 2007 cand a jucat in "Juno".
Datorita acestui rol Olivia a devenit cunoscuta si si-a creat un profil cunoscut in lumea actorilor de succes. Actrita a marturisit ca Juno este genul de rol care i s-a potrivit perfect si faptul ca este foarte mandra de acesta.