Fille d’immigrés grecs installés aux États-Unis, Olympia Dukakis est la cousine de l’homme politique Michael Dukakis, candidat démocrate malheureux aux élections présidentielles américaines de 1988. Olympia Dukakis est d’abord célèbre sur les planches puis fait ses débuts au cinéma en 1964. Elle campe des personnages secondaires dont le temps de présence à l’écran augmente avec les années.
On la voit en patiente d’hôpital psychiatrique dans Lilith (1964) de Robert Rossen, mère de Dustin Hoffman dans John et Mary (1969) de Peter Yates, employée dans Sœurs de sang (1973) de Brian De Palma, policière dans Un justicier dans la ville (1974) de Michael Winner ou mère de délinquant dans Les seigneurs (1979) de Philip Kaufman.
Dans les années 80, Olympia Dukakis voit sa notoriété se consolider. Elle obtient l’Oscar de la meilleure actrice dans un second rôle pour son personnage de mère mourante dans Éclair de lune (1987) de Norman Jewison, une composition qui lui vaut également un Golden Globe et un BAFTA dans la même catégorie. Elle incarne ensuite la directrice du personnel dans Working Girl (1988) de Mike Nichols, avant d’intégrer le casting féminin de Potins de femmes (1989) de Herbert Ross.
On retrouve Olympia Dukakis en Jocaste dans Maudite Aphrodite (1995) de Woody Allen, épouse de malade dans Loin d’elle (2006) de Sarah Polley, ou lesbienne internée dans Cloudburst (2011) de Thom Fitzgerald (inédit en France). Elle a également beaucoup tourné pour la télévision, interprétant notamment Anna Madrigal dans la série Les chroniques de San Francisco. Olympia Dukakis est décédée le 1er mai 2021 à l’âge de 89 ans.