Actrice franco-britannique, Olivia Ross est née en 1992 à Paris, en France. La jeune femme part en Angleterre où elle étudie à la Guildhall School of Music and Drama de Londres, avant d’intégrer le prestigieux Théâtre du Globe. Faisant sans cesse des allers-retours entre l’Angleterre et la France, la jeune comédienne est d’abord vue dans des seconds rôles des deux côtés de la Manche.
On la découvre jeune fille dans Tout est pardonné (Mia Hansen-Løve, 2007), puis dans le drame Je l’aimais (Zabou Breitman, 2009). Plus tard, elle demeure fidèle à Mia Hansen-Løve en tournant pour elle dans Le père de mes enfants (2009) et Eden (2014). Olivia Ross est aussi employée par Olivier Assayas sur Personal Shopper (2016), puis Doubles vies (2018).
Parallèlement, elle mène également une carrière internationale en jouant notamment dans le film Netflix The Old Guard (Gina Prince-Bythewood, 2020) mené par Charlize Theron, puis dans le très étrange film allemand Universal Theory (Timm Kröger, 2023) où elle interprète une pianiste mystérieuse qui hante le héros. Depuis, elle a tourné dans le biopic Niki (Céline Sallette, 2024) consacré à Niki de Saint Phalle.