Mathilde Ollivier estudió teatro y danza en el Conservatorio de París y el Cours Simon antes de ingresar a la Academia Internacional de Danza de París. Comenzó una carrera como modelo, apareciendo en la edición de marzo de 2016 de Vogue, la edición de octubre de 2016 de Purple y la edición de abril de 2017 de Twin. En teatro, Ollivier apareció en varias producciones francesas. También en el año 2016, la actriz comenzó a tener presencia frente a las cámaras cinematográficas: apareció como Chloe, una ciudadana francesa varada en una aldea ocupada por los nazis devastada por la guerra, en la película de terror de 2018 de J. J. Abrams Operación Overlord. Recientemente interpretó el papel de Gabrielle en la cinta de acción de Joe Carnahan Un día más para morir (2021), en la que un oficial retirado de las Fuerzas Especiales (Frank Grillo) está atrapado en un ciclo de tiempo sin fin el día de su muerte.