La primera oportunidad de actuación de Olivia DeJonge llegó cuando tenía ocho años, cuando hizo la voz en off para una importante cadena de hardware. Desde entonces, se convirtió en una joven especialista en voz en off y ha realizado más de 40 anuncios de radio. En 2010, a Olivia se le ofreció el papel principal en el cortometraje Good Pretender (2011) de Maziar Lahooti, gracias al cual, Olivia ganó el Premio a la Mejor Actriz de la Edición 24 Australian Western Screen Awards por su actuación. En 2014 hizo su debut cinematográfico en la película The Sisterhood of Night, que protagonizó junto con Georgie Henley, Kara Hayward y Kal Penn. Interpretó el papel principal de Becca en la película de terror dirigida por M. Night Shyamalan, Los huespedes (2015), junto con Ed Oxenbould. En 2017, protagonizó como Alice Burbage la serie de TNT, Will, y en 2019 hizo el papel de Elle Tomkins en la serie de Netflix The society.