Olivia Thirlby, 6 Ekim 1986 tarihinde New York City'de dünyaya geldi. Eğitimi sırasında oyunculukla ilgilenmeye başladı ve bu ilgi onu profesyonel bir yolculuğa götürdü. Thirlby, ilk olarak "Juno" adlı filmde önemli bir rol aldı. Bu projede görülen başarılı performansıyla dikkat çekti. Oynadığı diğer önemli roller arasında "Dredd", "No Strings Attached" ve "The Darkest Minds" bulunmaktadır. Thirlby, bu projelerle birlikte sinema dünyasında yerini sağlamlaştırdı.

Kariyerinin zirvesinde, Thirlby'nin performansı sinema eleştirmenleri tarafından büyük beğeni topladı. "Juno" ile başlayıp, "Dredd" ve "No Strings Attached" filmleriyle devam eden rol alanlarıyla kariyerinde önemli adımlar attı.