Olivia Thirlby reside en Nueva York, donde nació y se crió. Recibió una amplia formación en interpretación clásica Shakespeariana en su ciudad natal, en el American Globe Theatre; y en Londres, en la Real Academia de Arte Dramático.

En 2006, Olivia intervino en la película aclamada por la crítica, UNITED 93, dirigida por Paul Greengrass. Ese año, Olivia finalizó el rodaje de la producción de David Gordon Green SNOW ANGELS, dando la réplica a Michael Angarano, y de la que también son protagonistas Sam Rockwell y Kate Beckinsale. SNOW ANGELS atrajo admiración en su estreno mundial en el concurso de la edición de 2007 del Festival de Cine Sundance; Warner Independent Pictures estrenará comercialmente la película el primer trimestre de 2008.

Próximamente, podremos admirar a Olivia en THE SECRET, una película producida por Luc Besson, que ella protagoniza compartiendo cartelera con David Duchovny y Lily Taylor; y en MARGARET, de Kenneth Lonergan, con Anna Paquin y Matt Damon. Fue nombrada en 2006 una de las Caras Nuevas del Cine Independiente por la revista Filmmaker.