Elle est devenue une star de la télévision en incarnant Michelle Tanner à l'âge de neuf mois dans la série La Fête à la maison, partageant le rôle avec sa sœur jumelle Mary-Kate Olsen. Les jumelles ont joué dans un certain nombre de films dans les années 90 et ont également créé leurs propres marques de vêtements.
Mary-Kate et elle, sont nées à Sherman Oaks en Californie, de Jarnette et David Olsen.
Parmi les nombreux films dans lesquels elle et Mary-Kate jouent en tant que jeunes actrices, nous pouvons notamment citer : Papa, j'ai une maman pour toi (It Takes Two), Recherche maman désespérément (Billboard Dad) et Aventures à Paris (Passport to Paris).
En 2014, elle est sortie avec le réalisateur Bennett Miller. En 2017, elle a entamé une relation avec le peintre Louis Eisner. Le couple s'est marié en janvier 2023. Elle a un frère prénommé Trent. Sa mère s'appelle Jarnette Jones. Elle a une demi-sœur prénommée Courtney Taylor Olsen.
Sa sœur cadette Elizabeth Olsen a joué dans le thriller Martha Marcy May Marlene en 2011, et dans la superproduction Godzilla en 2014.