Оливия Тирлби родилась 6 октября 1986 года в Нью-Йорке. После окончания школы, Оливия стала играть в нью-йоркском театре «Глобус». Затем окончила Королевскую академию драматического искусства в Лондоне и ускоренный курс Британской академии театра и кино. С 2006 года начала активно сниматься в кино.