Wie viele Schauspielerinnen begann auch Olivia Wilde ihre Karriere im amerikanischen Teenager-Drama. In „O.C. California“ (2004–2005) übernahm sie eine wiederkehrende Rolle der Alex Kelly. Parallel dazu war sie in Filmen wie „The Girl Next Door“ (2004) und „Alpha Dog“ (2006) zu sehen. Der Schritt ins Blockbuster-Kino folgte rasch: In „Tron: Legacy“ (2010) und „Cowboys & Aliens“ (2011) bewies sie Leinwandpräsenz, bevor sie als Dr. Remy Hadley im internationalen Serienhit „Dr. House“ (2007–2012) an der Seite von Hugh Laurie eine Schlüsselrolle spielte. Es folgte eine eindrucksvolle Reihe von Filmrollen: im gefeierten Rennsportdrama „Rush“ (2013), in Spike Jonzes visionärer Sci-Fi-Tragikomödie „Her“ (2013) und in Clint Eastwoods nüchternem Justizdrama „Richard Jewell“ (2019). Doch gute Parts in anspruchsvollen Stoffen waren der Schauspielerin nicht genug: Mit der Coming-of-Age-Komödie „Booksmart“ (2019) legte sie ein vielbeachtetes Regiedebüt vor, das Kritiker wie Publikum gleichermaßen überzeugte. 2022 folgte mit „Don’t Worry Darling“ ihre zweite Regiearbeit, begleitet von einem Auftritt in Damien Chazelles ambitionierten Hollywood-Epos „Babylon“ sowie einer Sprechrolle als Lois Lane in „DC League of Super-Pets“. Mit der Komödie „The Invite“ (2026) präsentiert Wilde ihren dritten Film als Regisseurin und spielt darin selbst eine der Hauptrollen an der Seite von Seth Rogen, Penelope Cruz und Edward Norton.