היא גדלה במשפחה ענייה, בבית אחד אותו חלקה משפחתה עם דודה ודודתה, סבה וסבתה ובן דודה. כשהייתה בת שלוש הוריה התגרשו, ואמה המשיכה לגדל אותה לבד. הקשר שלה עם אביה היה רופף מאוד, והיא ראתה אותו אחת למספר שנים בלבד.
קריירה
קורילנקו התגלתה על ידי ציידת כישרונות בגיל 13, בעת ששהתה בחופשה במוסקבה. בגיל 16 עברה לצרפת ובגיל 17 חתמה על חוזה דוגמנות עם הסוכנות הפריזאית "מדיסון". בטרם מלאו לה 18 הספיקה להופיע על שערי המגזינים המובילים "ווג" ו"Elle". בזמן שעבדה כדוגמנית בפריז, היא תמכה כלכלית באמה, שנותרה באוקראינה. בהמשך קריירת הדוגמנות שלה המשיכה להופיע על שעריהם של מגזינים בולטים באירופה, כולל "Madame Figaro", מגזין הנשים של "לה פיגארו". במקביל, הפכה לדוגמנית הבית של מותגי אופנה מובילים כגון bebe, Clarins והלנה רובינשטיין, ודגמנה גם עבור רוברטו קוואלי, קנזו וויקטוריה'ס סיקרט.
ב-2005 החלה קורילנקו לטפח קריירה נוספת כשחקנית קולנוע בצרפת. ב-2006 זכתה בפרס השחקנית המצטיינת בפסטיבל הסרטים הבינלאומי של ברוקלין, על הופעתה בסרט הבכורה שלה כשחקנית, "L'Annulaire". באותה שנה הופיעה לצדו של אלייז'ה ווד בסרט "פריז, אני אוהב אותך". ב-2007 הופיעה באחד התפקידים המרכזיים בסרט "היטמן". ב-2008 כיכבה כנערת בונד קמיל מונטז בסרט ה-22 בסדרת סרטי ג'יימס בונד, "קוונטום של נחמה", לצדו של דניאל קרייג. העובדה שקורילנקו הייתה נערת בונד הראשונה ממדינה שהייתה חברה בעבר בברית המועצות גרמה לתגובות מעורבות במדינות ברית המועצות לשעבר. הארגון הקומוניסטי KPLO, שבסיסו בסנקט פטרבורג, האשים את קורילנקו בבגידה מוסרית, בכך שכיכבה בסרט שעוסק באויב של העם הסובייטי (הכוונה לג'יימס בונד). לעומת זאת, ראש עיריית ברדיאנסק, עיר הולדתה של קורילנקו, הציע לקרוא רחוב על שמה, וקורילנקו ואמה הוזמנו לפגישה עם הגברת הראשונה של אוקראינה, קתרינה יושצ'נקו.
בדצמבר 2008 הופיעה על שער המהדורה האמריקאית של המגזין "מקסים", ובפברואר 2009 הופיעה על שער המהדורה האוקראינית של המגזין, כשהיא בעירום מלא.[1]
ב-2009 יצא לאקרנים סרטו של דני לרנר "קירות", בו הופיעה קורילנקו בתפקיד הראשי לצדה של נינט טייב. היא התבשרה על כך שנבחרה לגלם את נערת בונד לאחר שכבר לוהקה ל"קירות", ולרנר, שלא רצה לוותר עליה, דחה את צילומי הסרט כדי שתוכל להשתתף בו. קורילנקו זכתה לביקורות חיוביות מצד מבקרי הקולנוע על משחקה בסרט. יקיר אלקריב מ"ידיעות אחרונות" כתב עליה: "אולגה קורילנקו מחשמלת!", ואורון שמיר מ"עכבר העיר" כתב: "כמובן שמירב תשומת הלב, גם השבוי, תלך בכל זאת לקורילנקו. לא לחינם דחה עבורה לרנר את הצילומים... קורילנקו פשוט ממגנטת, מעבר ליופיה המובן מאליו. גם הכימיה בינה ובין טייב נדמית כזולגת אל מחוץ לסט הצילומים ותורמת לכך גם העובדה שבהמון זוויות הן מאוד דומות, כמעט אחיות".[2]
בשנת 2010 היא הצטלמה בסרט "אימפריות המעמקים". צילומי הסרט הסתיימו אך נכון לשנת 2021 הוא טרם הוקרן.
בשנת 2014 שיחקה בסרט הראשון שביים ראסל קרואו - "עקבות במים" כשהוא גם מככב לצידה בתפקיד הראשי.
בשנת 2000 התחתנה קורילנקו עם צלם האופנה הצרפתי סדריק ואן מול, אך השניים התגרשו ארבע שנים מאוחר יותר. ב-2006 התחתנה בשנית, הפעם עם יזם אמריקאי בשם דאמיין גבריאל. גם נישואים אלה הסתיימו בגירושים בסוף 2007. קורילנקו התגוררה בפריז מאז שעזבה את אוקראינה ב-1996, וב-2001 אף קיבלה אזרחות צרפתית. ב-2009 עברה להתגורר בלונדון.
בנובמבר 2015 נולד לה ילד מבן זוגה דאז, העיתונאי הבריטי מקס בניץ.[3]