Olga Konstantinovna Kurylenko nasce il 14 novembre 1979 nell'Ucraina ancora annessa all'Unione Sovietica, a Berdyansk, risorsa di sorgenti d'acqua minerale e fanghi termali sul Mar d'Azov.
Subito dopo la sua nascita, sua madre Marina Alyabysheva divorzia da suo padre Konstantin Kurylenko, e cerca di sopravvivere come insegnante di recitazione all'immensa povertà che investe la Russia negli Anni Ottanta. Olga veste di stracci ed ha buchi sugli abiti e sarà presto costretta a trasferirsi dalla nonna Raisa in un tipico appartamento sovietico di quattro stanze, già abitato da zii e cugini, dove passerà gran parte della sua infanzia.
Eredita dalla madre la passione per le arti e nel frattempo studia arte, lingue straniere, pianoforte (per sette anni) e danza (fino ai tredici anni), dove si rivelerà la prima della classe.
A tredici anni l'occasione di una vita: a una stazione della metropolitana di Mosca, dove si era recata con sua madre per un piccolo viaggio, viene fermata da una talent scout che le propone un provino come fotomodella. Contro gli iniziali dubbi e sospetti di sua madre, Olga inizia la sua fortunata e brillante carriera come fotomodella a Mosca, e a 16 anni si trasferisce a Parigi dove impara il francese in soli sei mesi e firma con l'agenzia Madison. A 18 anni appare nelle copertine di Glamour, Elle, Madame Figaro, Marie Claire e Vogue e diventa il volto delle campagne pubblicitarie di Lejaby Lingerie, Bebe clothing, Clarins e i cosmetici di Helena Rubinstein.
A vent'anni, a sorpresa di tutti, Olga si sposa col fotografo di moda e suo migliore amico Cedric Van Mol dal quale però divorzierà tre anni e mezzo più tardi. Visto l'avanzare dell'età, Olga si preoccupa e si interroga sul suo futuro e, terrorizzata anche dal ricordo della povertà vissuta in Ucraina, ripensa alla recitazione e si presenta a un'agenzia francese per attori con la speranza di essere notata. Scambia dunque la passerella col mondo della celluloide e la sua carriera d'attrice decolla.
Nel 2005 finalmente la svolta: debutta davanti alla macchina da presa nel film francese L'Annulaire di Diane Bertrand e nel ruolo da protagonista di Iris ottiene il Certificato di Eccellenza come miglior attrice al Brooklyn International Film Festival. Appena l'anno successivo sarà diretta da Vincenzo Natali nell'episodio numero quattordici Quartier de la Madeleine del film corale Paris, je t'aime: dividerà la scena con Elijah Wood nel ruolo di una seducente e fatale vampira. È lo stesso anno in cui avrà luogo il suo secondo matrimonio con Damien Gabrielle, imprenditore di accessori per telefonini, dal quale divorzierà nel 2007.
Dopo alcune partecipazioni in tv, il salto dalla Francia a Hollywood è presto fatto: nel 2007 viene infatti imposta nel cast franco-americano della trasposizione per il grande schermo del videogioco di Hitman, il film Hitman - L'assassino di Xavier Gens, e ancora di videogioco si parla nel 2008 con Max Payne di John Moore. Lo stesso anno si sottopone al provino per Bond Girl nell'ultimo episodio dedicato all'Agente 007, Quantum of Solace, e la vigilia di Natale del 2007 scoprirà di aver ottenuto la parte nonostante la convinzione di non aver colpito nessuno, né regista né produttori. E' Camille, e il suo ruolo la farà finalmente conoscere a tutto il mondo.
E' in post-produzione e previsto per il 2009 il suo ultimo film da protagonista, Kirot, diretto da Danny Lerner.
2009 Candidatura Miglior attrice non protagonista per Quantum of Solace
2018 Recitazione
2017 Recitazione
2015 Recitazione
2015 Recitazione
L'asterisco presente nel titolo e aggiunto all'ultimo minuto è uno dei tanti misteri che circonda la produzione
L'attrice tornerà nei panni del personaggio già interpretato in Black Widos
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