Куриленко родилась в Бердянске Запорожской области. В квартире с маленькой Ольгой жили ее тетя, дядя, бабушка, дедушка и двоюродный брат. Родители развелись вскоре после рождения дочери и будущая звезда воспитывалась матерью и бабушкой. Ольга с 8 лет учила английский язык, играла на фортепиано и ходила в балетную студию.
В 1992 году в возрасте 13 лет Ольга и ее мать переехали жить в Москву. В возрасте 16 лет Куриленко уехала работать в Париж. Уже через два года Ольга появилась на обложке Glamour, ELLE, Madame Figaro, Marie Claire и Vogue, она также стала лицом рекламных компании известных брендов.
Первый опыт в кино – главная роль в малобюджетном эротическом фильме Перст любви (2005). Но Ольга приобрела известность как актриса после выхода фильма Париж, я люблю тебя, где играла в паре с Элайджей Вудом. В январе 2008 года выбрана на роль девушки Джеймса Бонда в очередном фильме сериала про агента 007. В настоящее время Куриленко занята в самом дорогом китайском 3D фильме Глубинные империи, который по спецэффектам должен превзойти Аватар Джеймса Кэмерона.
