Olivia Thirlby ist eine US-amerikanische Schauspielerin. Thirlby wuchs in New York City auf, wo sie weiterhin lebt. Sie lernte Schauspielkunst am American Globe Theatre und an der Londoner Royal Academy of Dramatic Art.

Thirlby debütierte 2003 in Theaterstücken. Ihre erste Filmrolle spielte sie 2006 im Katastrophendrama Flug 93. Im Filmdrama Snow Angels war sie 2007 neben Kate Beckinsale zu sehen. In der Komödie Juno spielte sie im selben Jahr die Rolle einer Freundin der ungewollt schwanger gewordenen Schülerin Juno MacGuff (Ellen Page). Im Drama In deiner Haut spielte sie neben David Duchovny die weibliche Hauptrolle. 2012 war sie im Reboot Dredd als Cassandra Anderson neben Karl Urban zu sehen.