Issue d'une famille d'auteurs et de journalistes, Olivia Wilde est la petite-fille de James Helvick, et la fille d'Andrew et Leslie Cockburn.

Elle sort diplômée de la Phillips Academy d'Andover dans le Massachusetts.

Elle apparaît à moins de vingt ans dans la série sur les amours adolescentes SKIN (2003-04), produite par Jerry Bruckheimer.

Elle enchaîne avec un autre rôle récurrent dans les portraits croisés de NEWPORT BEACH (2004-05) et débute sur grand écran dans la comédie romantique THE GIRL NEXT DOOR de Luke Greenfield (2004).

Jeune mariée dans CONVERSATION(S) AVEC UNE FEMME de Hans Canosa (2005), elle croise les vedettes dans le choral et sombre ALPHA DOG de Nick Cassavetes (2006).

Elle côtoie l'horreur dans PARADISE LOST de John Stockwell (2006) et s'amuse dans les juvéniles CAMJACKERS de Julian Dahl (2006) et BICKFORD SHMECKLER'S COOL IDEAS de Scott Lew (2006).

Outre des seconds rôles dans les thrillers BOBBY Z de John Herzfeld (2007) et IN NORTHWOOD de D.W. Brown (2009), elle joue off-Broadway « Beauty on the Vine » de Zak Berkman (2007).

Elle continue de briller dans les séries cathodiques, pour les ombres des BLACK DONNELLYS de Paul Haggis (2007) et en médecin face à Hugh Laurie dans DR HOUSE (2007-2011), qui assoient sa présence.

Princesse dans L'AN 1 DES DÉBUTS DIFFICILES de Harold Ramis (2009), baronne dans THE BALLAD OF G.I. JOE de Daniel Strange (2009), elle est Madonna dans le court métrage WEIRD : THE AL YANKOVIC STORY d'Eric Appel (2010).

Les gros projets l'embarquent et elle fait face aux stars masculines...

Pour les fables fantastiques TRON : L'HÉRITAGE de Joseph Kosinski (2010) avec Jeff Bridges et COWBOYS & ENVAHISSEURS de Jon Favreau (2011) avec Daniel Craig et Harrison Ford...

Pour les courses contre la montre LES TROIS PROCHAINS JOURS de Paul Haggis (2010) avec Russell Crowe et TIME OUT d'Andrew Niccol (2011) avec Justin Timberlake...

Et pour la comédie ÉCHANGE STANDARD de David Dobkin (2011) avec Jason Bateman et Ryan Reynolds.

Elle est mariée avec le réalisateur italo-américain Tao Ruspoli dont elle produit le film FIX de Tao Ruspoli (2008), parcours de documentaristes aux Etats-Unis dont elle est aussi l'interprète.