Narodila se a vyrostla v losangeleské čtvrti Sherman Oaks v Kalifornii. Je dcerou Jarnette Fuller Olsenové (rozené Fuller) a Davida Olsena a mladší sestrou hereckých dvojčat Ashley a Mary-Kate Olsenových. Kromě toho má staršího bratra Trenta a dva mladší nevlastní sourozence. V roce 1996 se její rodiče rozvedli.

V dětství navštěvovala lekce zpěvu a baletu. Již jako malá začala s herectvím, neboť se objevovala ve filmech, kde hrály její sestry. Navštěvovala Campbell Hall School v Hollywoodu a po odmaturování se přestěhovala do New Yorku, kde studovala na Tisch School of Arts. V roce 2009 strávila semestr studií na umělecké škole v Moskvě.

S herectvím začala ve čtyřech letech, kdy se objevila ve filmových produkcích svých sester Mary-Kate a Ashley. Ucházela se také o roli ve filmu Spy Kids: Špioni v akci.

Zlom v její kariéře nastal v roce 2011 s kritiky uznávaným filmem Martha Marcy May Marlene. Za roli Marthy byla nominovaná na několik cen. Další role přišla s hororovým filmem Silent House, kde si zahrála postavu Sarah. Během roku 2011 stihla natočit film Červená světla. Dne 22. ledna 2012 měl premiéru film Svobodná umění. S Dakotou Fanning si zahrála ve filmu Very Good Girls.

V lednu 2013 byla nominována na cenu BAFTA Rising Star Award. V tomtéž roce si zahrála v americkém remaku jihokorejského filmu z roku 2003 Oldboy po boku Joshe Brolina. Objevila se také ve snímku Zbav se svých miláčků.

V roce 2014 si po boku Bryana Cranstona a Aarona Taylora-Johnsona zahrála v remakovém filmu Godzilla. V témže roce podepsala smlouvu na roli Scarlet Witch ve filmu Avengers: Age of Ultron (2015). Poprvé se jako tato postava objevila v krátké cameo roli ve snímku Captain America: Návrat prvního Avengera (2014). Roli si zopakovala i v následujících filmech Captain America: Občanská válka (2016) a Avengers: Infinity War (2018).