En 1992, Patrice Leconte choisit Olivia Bonamy pour interpréter la pièce Ornifle. Deux ans plus tard, elle effectue sa première apparition à l'écran avec Le Petit garçon de Pierre Granier-Deferre. Au générique du Jefferson à Paris de James Ivory (1995), elle campe, en 1996, la fille d'Anémone dans L'Echappée belle. Jusqu'en 1999, où le grand public la découvre en petite amie de Jamel Debbouze dans la comédie Le Ciel, les oiseaux et... ta mère !.
Le cinéma lui fait alors les yeux doux. Après Le Ciel, les oiseaux et... ta mère !, elle intègre le "harem" de Claude Lelouch pour les besoins d'Une pour toutes (1999), joue l'un des rôles les plus forts dans La Captive de Chantal Akerman (2000) et incarne la meilleure amie d'Emmanuelle Devos dans le sombre Sur mes lèvres de Jacques Audiard (2001). En 2002, elle tient pour la première fois le haut de l'affiche en jouant les justicières dans le film fantastique Bloody Mallory.
La fraîcheur d'Olivia Bonamy la prédispose davantage aux rôles légers comme en témoignent ses prestations de jeune fille en quête de l'âme soeur dans Filles perdues, cheveux gras (2002), de bonne à marier dans Mariage mixte (2004) ou de Célibataires (2005), aux côtés de Guillaume Depardieu. En 2006, elle participe aux côtés de Michaël Cohen au thriller Ils, premier film-choc du tandem Xavier Palud / David Moreau. A deux reprises et à un an d'intervalle, elle joue aux cotés de Romain Duris: d'abord dans L'Age d'homme... maintenant ou jamais puis dans le film chorale de Cédric Klapisch, Paris. Avec Daniel Auteuil, elle tourne dans le polar d' Olivier Marchal, MR 73. Puis elle change totalement de registre en interprétant un prix de beauté dans La Guerre des miss, sous la direction de Patrice Leconte.
