Vedette de la sitcom d'ABC La fête à la maison, partageant son personnage de Michelle Tanner avec sa sœur jumelle Ashley Olsen. Elle et Ashley furent ensuite les vedettes de nombreux films et lancèrent leur propre ligne de vêtements.
Les jumelles ont été choisies pour La fête à la maison alors qu'elles avaient à peine 9 mois.
Elle et Ashley jouèrent dans une série à énigmes intitulée Les aventures de Mary-Kate & Ashley entre 1994 et 1997.
En 2015, elle a épousé le banquier français Olivier Sarkozy. Elle demanda par la suite le divorce en 2020. Sa sœur cadette Elizabeth Olsen est également devenue actrice. Elle a un frère aîné, Trent, un demi-frère et deux demi-sœurs, dont Courtney Taylor Olsen. Ses parents, Jarnette et David Olsen, ont divorcé en 1996.
Les jumelles ont joué aux côtés de Bob Saget dans la série au long court La fête à la maison.