Comme beaucoup d’acteurs, Olivia Wilde doit une partie de ses débuts à la télévision adolescente américaine. Elle décroche un rôle récurrent dans Newport Beach (2004–2005), tout en apparaissant dans La Voisine d’à côté (2004) et Alpha Dog (2006). Elle rejoint ensuite de grosses productions comme Tron : L’Héritage (2010) et Cowboys et Envahisseurs (2011), avant de tenir un rôle important dans la série Dr House (2007–2012) aux côtés de Hugh Laurie. La suite de son parcours est marquée par une belle série de crédits dans des drames salués, comme Rush (2013), Her (2013) de Spike Jonze et Le Cas Richard Jewell (2019) de Clint Eastwood. Pas satisfaite de briller seulement devant la caméra, Wilde passe ensuite à la réalisation avec Booksmart (2019), un premier film qui attire immédiatement l’attention. En 2022, elle signe une nouvelle mise en scène avec Don’t Worry Darling (2022), tout en apparaissant dans Babylon (2022) de Damien Chazelle et en prêtant sa voix à Lois Lane dans Krypto et les Super-Animaux (2022). Elle tient un rôle dans son troisième long métrage comme réalisatrice, The Invite (2026), une comédie avec notamment Seth Rogen, Penélope Cruz et Edward Norton.