Nata in Ucraina, si è trasferita a Parigi quando aveva sedici anni per inseguire una carriera come attrice, a cui ha affiancato un’attività di grande successo come modella a Parigi, Milano, New York e Londra.
Lo scorso anno, è stata tra i protagonisti della pellicola della Twentieth Century Fox Hitman al fianco di Timothy Olyphant. Nel gennaio del 2008, la Kurylenko è stata scelta come protagonista femminile dell’ultimo James Bond, Quantum of Solace, diretto da Marc Forster. La Kurylenko recita assieme a Daniel Craig, Dame Judi Dench e Mathieu Almaric.

Il suo esordio al cinema è arrivato grazie a L’annulaire di Diane Bertrand, in cui interpretava la protagonista, Iris. A questo, ha fatto seguito un ruolo in Paris Je T’aime, l’importante pellicola indipendente in cui un gruppo di acclamati di registi internazionali realizzavano dei cortometraggi su ogni distretto di Parigi. Il film è stato presentato al Festival di Cannes del 2006.
Sempre nello stesso anno, la Kurylenko ha interpretato la parte di Sofia nell’acclamato thriller di Eric Barbier Le Serpent, in cui affiancava dei celebri attori francesi come Yvan Attal, Clovis Cornillac e Pierre Richard.
Per la televisione francese, la poliglotta Kurylenko è apparsa nella miniserie Suspectes e nel film drammatico Le Porte-bonheur.