Gli esordi
La bella Olivia, parigina di nascita, attrice teatrale di formazione, ha saputo in pochi anni adattarsi a una grande serie di ruoli, variegati, dalla commedia al film d'azione, dal thriller al poliziesco con ottimi risultati. Il suo bel viso non passa inosservato a Patrice Leconte che nel 1992 la sceglie per la pièce Ornifle. La prima apparizione sul grande schermo è del 1995, ne Le petit garcon. Sarà poi nel cast di Jefferson in Paris (1995) di James Ivory e ancora in L'echappée belle (1996). Il pubblico la scopre però nel ruolo della ragazza di Jamel Debbouze in Le ciel, les oiseax et... ta mère (1999), ruolo che le dà una certa visibilità e grazie al quale ottiene una parte in Una per tutte (2001), dove integra l'harem di donne nel film di Claude Lelouch.

In primo piano
Volto ormai noto del cinema francese, Olivia Bonamy inizia ad apparire sempre più frequentemente come coprotagonista e spesso accanto a grandi attori. Sempre nel 2001 interpreta la migliore amica di Emmanuelle Devos nello splendido noir di Jacques Audiard, Sulle mie labbra. Nel 2002 la dolce Olivia è a capo di un commando anti-demoni nel bizzarro film d'azione Bloody Mallory. Nonostante il ruolo, per la prima volta appare sulla locandina come protagonista. Predisposta a ruoli leggeri appare in Fille perdues, cheveux gras (2002), in Mariage Mixte (2005) e accanto a Guillaume Depardieu in Célibataires (2005). Nel 2006 Xavier Palud e David Moreau la vorranno come protagonista del terrificante Them, ottimo thriller francese. Olivia riesce a destreggiarsi con sapienza tra i più variegati generi del cinema, contribuendo al buon stato di salute del mercato d'oltralpe. Con Romain Duris appare in L'age d'homme... maintenant ou jamais (2007) e nel nuovo film di Cédric Klapisch su Parigi, il corale Paris (2007). Capace di cambiare volto ed espressione a seconda del ruolo, per Olivier Marchal sarà Justine nel cupo polar L'ultima missione (2007), accanto a uno splendido commissario alcolizzato e alla deriva interpretato da Daniel Auteuil.