Olivier Loustau désire devenir reporter jusqu'à ce qu'il se découvre une passion pour la comédie. Il commence alors à tourner pour le cinéma et la télévision, mais toujours intéressé par le journalisme, il part à Sarajevo pour un reportage à l'automne 1992. Une fois de retour en France, il reprend les plateaux de cinéma et tourne notamment pour Thomas Gilou dans Raï, Bertrand Tavernier dans Capitain Conan et Dominique Farrugia dans Trafic d'influence puis Delphine 1, Yvan 0.

Parallèlement à sa carrière d'acteur, il se lance dans l'écriture de scénarios et écrit notamment "Capone", un film pour Arte réalisé par Jean-Marc Brondolo, Scalp, une série pour la chaîne Canal + et Quand la ville mord de Dominique Cabrera. Depuis, il se partage entre la comédie et l'écriture.

Olivier Loustau joue aussi dans Le Convoyeur de Nicolas Boukhrief, L'Avocat de Cédric Anger et Un beau dimanche réalisé par Nicole Garcia. L'ancien rugbyman est avant tout connu pour être l'un des acteurs fétiches de Abdellatif Kechiche (La Faute à Voltaire, L'Esquive, La Graine et le Mulet et Vénus noire).

En 2014, Olivier Loustau rajoute une corde à son arc en se lançant dans la réalisation de son premier long-métrage, La Fille du patron, avec lui-même et Christa Théret et co-produit par Julie Gayet et Lisa Azuelos. Le film est quelque peu inspiré de sa vie personnelle puisqu'il retrace le quotidien de salariés dans une usine et Olivier Loustau est fils d'ouvrier.