Olivia Thirlby urodziła się 6 października 1986 roku w Nowym Jorku, w Stanach Zjednoczonych. Jej matka była krawcową, a ojciec twórcą reklam. Wychowała się w East Village na Manhattanie. Brała udział w wakacyjnych kursach aktorskich: French Woods Festival of the Performing Arts i Usdan Center for the Creative and Performing Arts. Brała również lekcje aktorstwa w American Globe Theatre oraz krótko w Royal Academy of Dramatic Art w Londynie.
Będąc jeszcze w szkole średniej, otrzymała propozycję zagrania roli Samanthy Marris w filmie "
Sekret". Od tamtej pory jej kariera rozwija się w bardzo szybkim tempie. Na swoim koncie ma także gościnne występy w serialach "
Uprowadzeni" i "
Znudzony na śmierć". Najlepiej znana z roli Leah w komedii "
Juno". Za tę rolę otrzymała nominację do nagrody Broadcast Film Critics Association Awards.
Zrobiło się wokół niej głośno, po tym jak wystąpiła w dramacie "
Wackness". W przeciągu kilku lat zagrała u boku takich sław jak
Lena Headey,
Bradley Cooper,
Famke Janssen czy
Ellen Page.