Fille d’acteurs suédois, Lena Olin débute sur les planches au Théâtre dramatique royal de Stockholm, où elle est notamment dirigée par Ingmar Bergman. Ce dernier lui confie des petits rôles au cinéma dans Face à face (1976) et Fanny et Alexandre (1983), avant de lui faire interpréter le personnage principal d’Après la répétition (1984), au côté d’Erland Josephson.
Lena Olin connaît alors la notoriété et se voit proposer des rôles à l’étranger. Elle est la partenaire de Daniel Day Lewis et Juliette Binoche dans L’insoutenable légèreté de l’être (1988) de Philip Kaufman, puis celle de Ron Silver et Anjelica Huston avec Ennemies, une histoire d’amour (1989) de Paul Mazursky, pour lequel elle est nommée à l’Oscar de la meilleure actrice dans un second rôle.
Tête d’affiche de Havana (1991) de Sydney Pollack, au côté de Robert Redford, Lena Olin est ensuite la psychiatre prenant en charge Richard Gere dans Mr. Jones (1993) de Mike Figgis. Mais elle peine à se maintenir au premier plan, malgré son talent et son charisme.
On la voit par la suite davantage dans des rôles de second plan, docteur Leek dans Mystery Men (1999) de Kinka Usher, veuve intrigante dans La neuvième porte (1999) de Roman Polanski, ou ancienne rescapée dans The Reader (2003) de Stephen Daldry.
Lena Olin a aussi tourné avec Sidney Lumet (Dans l’ombre de Manhattan, 1997), ses compatriotes Kjell-Åke Andersson (Friends, 1998) et Lasse Hallström (Le chocolat, 2000), ainsi que le Danois Bille August (Un train de nuit pour Lisbonne, 2013).
