Olivia Bonamy a amorcé sa carrière de comédienne sur les planches en 1992, lorsque Patrice lui confie un rôle dans la pièce Ornifle. Après un passage par le petit écran, elle débute au cinéma chez Pierre Granier-Deferre (Le Petit Garçon) et James Ivory (Jefferson à Paris).En 1999, elle est révélée au public aux côtés de jamel Debbouze dans Le Ciel, les oiseaux, et ta mère. Elle est tourne ensuite devant les caméras respectives de Claude Lelouch (Une pour toutes) et Jacques Audiard (Sur mes lèvres). En 2002 elle tient le rôle-titre du film fantastique Bloody Mallory, puis enchaîne les prestations dans Filles perdues cheveux gras ou Célibataires.En 2006, elle forme avec Michaël Cohen un couple terrifié dans l'inquiétant Ils. Deux ans plus tard, elle donne la réplique à Fabrice Luchini, Juliette Binoche, et Romain Duris, dans le Paris de Cédric Klapish. La même année, elle est aussi à l'affiche du polar MR-73 avec Daniel Auteuil. En 2009, on la retrouve dans La guerre des miss de Patrice Leconte.
