Si sa carrière professionnelle d'actrice commence avec des débuts au cinéma trois ans plus tard dans le film Vol 93, réalisé par Paul Greengrass et à la télévision dans la série Kidnapped, qui n'a fait qu'une saison, ce n'est qu'en 2007 prend un tournant quand elle incarne Leah, la meilleure amie d'Elliot Page dans le film indépendant Juno, de Jason Reitman, qui obtient un énorme succès critique et commercial.
Elle a également joué dans le drameSnow Angels, de David Gordon Green. Elle devait incarner la petite amie de Seth Rogen dans Délire Express, réalisé par David Gordon Green, mais elle fut remplacée par Amber Heard après les répétitions[4]. Mais cela n'empêche pas Olivia de retravailler avec Gordon Green pour la série d'animation Good Vibes[5].
Depuis, elle enchaîne les rôles au cinéma : on l'a aperçue en fille populaire fumeuse de marijuana dans Wackness, primé du Prix du Public au Festival de Sundance, et en jeune adolescente et fille de David Duchovny dont l'esprit de sa mère a pris possession de son corps dans Si j’étais toi, remake d'un film d'horreur japonais.
De plus, elle a joué dans le film Dredd, dans lequel elle incarne le juge Cassandra Anderson[8],[9].
Vie privée
Olivia Thirlby est ouvertement bisexuelle. Elle a, par ailleurs, fait son coming-out dans les colonnes du Brooklyn Magazine. Elle y annonce participer à l’événement Self Evident Truths qui dénonce les discriminations envers les minorités ethniques, les personnes transgenres ou les personnes homosexuelles[10].
