Owen Cunningham Wilson 1968. november 18-án született a Texas állambeli Dallasban. Szülei Laura Cunningham és Robert Andrew Wilson. Három testvére van, Jade, Luke és Andrew, utóbbi kettő szintén színész. Az érettségi után katonai főiskolára járt (New Mexico Military Institute), majd átiratkozott az Austini Egyetemre, ahol angol szakon szerzett diplomát.

Ekkoriban ismerkedett meg Wes Anderson rendezővel, és együtt megírták az 1994-es Bottle Rocket című rövidfilm forgatókönyvét, amelyet Wes rendezett és Owen játszotta a főszerepet. Az alkotás a Sundance Filmfesztiválon debütált, ahol pozitív fogadtatást kapott, és 1996-ban azonos címmel elkészült belőle az egész estés változat is (Petárda). A filmben Owen mellett öccse, Luke is szerepelt.

1996-ban kisebb szerepet kapott a Ben Stiller rendezésében bemutatott A kábelbarát című filmben. A forgatás során közte és a színész-rendező között szoros szakmai kapcsolat és barátság alakult ki. A következő években közel egy tucat filmen dolgoztak együtt (Apádra ütök – 2000, Zoolander, a trendkívüli – 2001, Starsky és Hutch – 2004, Vejedre ütök – 2004, Éjszaka a múzeumban 2. – 2009).

Még az ezredforudló előtt olyan kasszasikerkeben tűnt fel, mint az Anakonda (1997) vagy az Armageddon (1998). 2000-ben Jackie Chan mellett kapott főszerepet az Új csapásban, mely közel 100 millió dolláros bevételre tett szert világszerte. A sikernek köszönhetően 2003-ban Londoni csapás címmel került a mozikba a film folytatása.

Karrierjének egyik legemlékezetesebb alakítását Wes Anderson Tenenbaum, a háziátok (2001) című filmjében nyújtotta, melyért Oscar-díjra is jelölték. 2014-ben ismét a rendezővel dolgozhatott együtt A Grand Budapest Hotel forgatásán. 2011-ben szerepet kapott egy másik rendezőlegenda, Woody Allen Éjfélkor Párizsban című filmjében is.

Owen Wilson gyakran vállal szinkron munkákat is. Olyan produkciókban hallhattuk a hagját, mint a Verdák (2006), A fantasztikus Róka úr (2009) vagy a Pulykaland (2013).

Owen és öccse Luke is tagja a Frat Pack nevű csoportnak, amelynek Ben Stiller a vezetője, és olyan színészek is tagjai, mint Vince Vaughn, Jack Black vagy Will Ferrell.

Ami a magánéletét illete, hosszú ideig viharos kapcsolata volt Kate Hudson színésznővel. 2007-ben öngyilkossági kísérletet követett el, de sikerült megmenteni az életét. Pár nappal az incidens után kilépett a Trópusi vihar című filmből, amelyet Ben Stiller rendezett és amelyben Matthew McConaughey vette át a szerepét.

Két fia született, Robert Ford, és Finn Lindqvist.