โอลิเวีย เทิร์ลบี้ อาศัยอยู่อย่างถาวรในนิวยอร์ค ที่ซึ่งเธอเกิดและเติบโตขึ้น เธอได้รับการอบรมอย่างมากในการแสดงแนวคลาสสิคของเช็คสเปียร์ ที่โรงละคร American Globe นิวยอร์ค และที่ลอนดอน Royal Academy ในสาขาศิลปการแสดง เธอได้กลายมาเป็นนักแสดงมืออาชีพในปี 2003 และมีแผนที่จะทำอาชีพนักแสดงนี้ทั้ง 2 อย่างคือทั้งที่โรงละครและภาพยนตร์
โอลิเวีย เธิร์ลบี้ ได้แสดงประกบเอมิล เฮิร์สช์, แม็กซ์ มิงเกลลา และราเชล เทย์เลอร์ ในภาพยนตร์โดยคริส โกแร็ค เรื่อง The Darkest Hour หลังจากนี้ เธอจะได้แสดงประกบจอห์น คราซินสกี้ และโรสแมรี เดอวิตต์ ในภาพยนตร์โดย ไร รุสโซ-ยัง เรื่อง Nobody Walks ที่ฉายรอบปฐมทัศน์โลกในงานเทศกาลภาพยนตร์ซันแดนซ์ปี 2012 และในภาพยนตร์โดยพีท ทราวิส เรื่อง Dredd ที่ได้คาร์ล เออร์เบินรับบทจัดจ์ เดรดด์ ไอคอนแห่งโลกการ์ตูน
เธอได้รับความสนใจจากผู้ชมและวงการบันเทิงครั้งแรกจากการแสดงภาพยนตร์สองเรื่อง นั่นคือบทนิโคล มิลเลอร์ ผู้โดยสารในเที่ยวบิน 93 ในดรามาที่สร้างจากเหตุการณ์ 9/11 เรื่อง United 93 ที่กำกับโดยพอล กรีนกราส ผู้ได้รับการเสนอชื่อชิงอคาเดมี อวอร์ดและบทลีอาห์ เพื่อนสนิทของจูโน ที่รับบทโดยเอลเลน เพจในภาพยนตร์บล็อกบัสเตอร์โดยเจสัน ไรท์แมนเรื่อง Juno ที่เขียนบทโดยเดียโบล โคดี้ เจ้าของรางวัลอคาเดมี อวอร์ด
เธิร์ลบี้เปิดตัวในโลกภาพยนตร์ด้วยการแสดงประกบเดวิด ดูคอฟนีย์และลิลลี เทย์เลอร์จาก Being Flynn ในภาพยนตร์โดยวินเซนต์ เปเรซเรื่อง The Secret ผลงานภาพยนตร์เรื่องอื่นๆ ของเธอได้แก่ภาพยนตร์โดยโจนาธาน เลวินเรื่อง The Wackness ซึ่งได้รับรางวัลออเดียนซ์ อวอร์ดจากงานเทศกาลภาพยนตร์ซันแดนซ์ปี 2008 และรางวัลเทศกาลภาพยนตร์นานาชาติลอสแองเจลิส และที่เธอได้แสดงประกบจอช เพ็คและเซอร์เบน คิงส์ลีย์, ภาพยนตร์โดยเดวิด กอร์ดอน กรีนเรื่อง Snow Angels ที่เธอแสดงประกบแซม ร็อคเวลและเคท เบคคินเซล, ภาพยนตร์โดยอีวาน ไรท์แมนเรื่อง No Strings Attached ที่แสดงประกบนาตาลี พอร์ทแมนและแอชตัน คุทเชอร์, ภาพยนตร์โดยโจนาธาน เกลทเซอร์เรื่อง What Goes Up ที่แสดงประกบสตีฟ คูแกน, ภาพยนตร์โดยเคนเนธ โลเนอร์แกนเรื่อง Margaret ที่แสดงประกบแอนนา พาควิน, ภาพยนตร์โดยสก็อต แม็คกีฮีและเดวิด ซีเกลเรื่อง Uncertainty, ภาพยนตร์โดยจอห์น ฮินด์แมนเรื่อง The Answer Man ที่แสดงประกบเจฟ แดเนียลส์, New York, I Love You ที่แสดงประกบแอนตัน เยลชินในเซ็กเมนต์ที่กำกับโดยเบรท แรทเนอร์, ภาพยนตร์โดยดาริล วีนเรื่อง Breaking Upwards, ภาพยนตร์โดยไบรอัน คอปเปลแมนและเดวิด เลอวีนเรื่อง Solitary Man ที่แสดงประกบไมเคิล ดักลาสและเจสซี ไอเซนเบิร์กและภาพยนตร์ขนาดสั้นเรื่อง Eve ที่เขียนบทและกำกับโดยพอร์ทแมน
ผลงานจอแก้วของเธอรวมถึงบทประจำที่แสดงประกบเจสัน ชวอร์ทซ์แมนในซีรีส์ Bored to Death และการพากย์เสียงซีรีส์อนิเมชันเรื่อง Good Vibes
เธิร์ลบี้เปิดตัวบนเวทีออฟบรอดเวย์ในละครโปรดักชันของแอตแลนติก เธียเตอร์ คัมปะนีเรื่อง Farragut North ที่เขียนบทโดยโบ วิลลิมอนและกำกับโดยดั๊ก ฮิวจ์ ในละครเรื่องนี้ เธอได้แสดงประกบจอห์น กัลลาเกอร์และคริส นอธ หลังจากนั้น เธอก็ได้กลับมารับบทเดิมอีกครั้งในละครโปรดักชันเวสต์ โคสต์ ที่จัดแสดงที่เจฟเฟน เพลย์เฮาส์
เธอมีผลงานมากมายในละครเชคสเปียร์คลาสสิก หลังจากที่ได้ศึกษาทั้งที่อเมริกัน โกลบ เธียเตอร์และรอยัล อคาเดมี ออฟ ดรามาติค อาร์ตส์ ในกรุงลอนดอน
