Olivia Thirlby se formó en actuación clásica de Shakespeare en Nueva York en el American Globe Theatre y en Londres en la Royal Academy of Dramatic Art. Apareció en pantalla hasta 2006 que hizo su debut cinematográfico en United 93 y su debut televisivo en Kidnapped. En 2007, llamó la atención cuando interpretó a Leah en la galardonada Juno. Thirlby fue elegida en la comedia dirigida por David Gordon Green, Piña Express (2008), como la novia del personaje de Seth Rogen, pero fue reemplazada por la actriz Amber Heard después de ensayar para la película. Más tarde protagonizó la película rusa de ciencia ficción La última noche de la humanidad (2011), dirigida por Chris Gorak. Thirlby interpretó a Cassandra Anderson en la adaptación cinematográfica de 2012 Dredd, con Karl Urban en el papel principal. En 2016, coprotagonizó como la joven abogada Lucy Kittridge en la serie legal de Amazon Studios Goliath. Recientemente protagonizó la cinta Above the shadows (2019), dirigida por Claudia Myers.