Como a muchos actores, la televisión juvenil estadounidense le dio a Olivia Wilde el empujón inicial. Tuvo un papel recurrente en The O.C. (2004–2005) y apareció en películas como La vecina de al lado (2004) y Alpha Dog (2006). Luego llegaron los grandes proyectos, como Tron: Legacy (2010) y Cowboys & Aliens (2011), además de un papel importante en la exitosa serie House (2007–2012) junto a Hugh Laurie. Después encadenó créditos muy sólidos en dramas aclamados como Rush (2013), la inquietantemente premonitoria Her (2013) de Spike Jonze y Richard Jewell (2019) de Clint Eastwood. Y no se conformó con brillar en pantalla: dio el salto a la dirección con su debut Súper empollonas (2019), que fue un fenómeno. En 2022 vivió un gran año: dirigió No te preocupes querida (2022), actuó en Babylon (2022) de Damien Chazelle y puso voz a Lois Lane en DC Liga de supermascotas (2022). Protagoniza su tercera película como directora, The Invite (2026), una comedia con nombres como Seth Rogen, Penélope Cruz y Edward Norton.