Lena Olin se narodila do herecké rodiny. Absolvovala studium herectví, po kterém získala angažmá v Královském dramatickém divadle.

Široké veřejnosti se představila ve snímku Nesnesitelná lehkost bytí. Tento snímek byl natočen dle předlohy spisovatele Milana Kundery.

V roce 1994 se vdala za režiséra Lasse Hallströma. Zahrála si i v několika jeho filmech. 

Získala nominaci na Oscara za vedlejší roli ve filmu Enemy.