D'origine chinoise et allemande, Lisa Olivia Munn, de son vrai nom, grandit dans une famille de cinq enfants. Elle n'a que deux ans lorsque sa mère se remarie avec un officier de la United States Air Force, les obligeant par la suite à déménager plusieurs fois. C'est à Tokyo et Los Angeles qu'elle passe le plus de temps, jusqu'à définitivement revenir à la cité des anges pour entamer sa carrière d'actrice.
Forte de son expérience en tant que mannequin au Japon, ainsi que de ses études dramatiques à l'Université de l'Oklahoma, elle intègre en 2004 la chaîne télévisée Fox Sports Net pour laquelle elle commente pendant un temps le football universitaire et le basketball féminin. Peu convaincue par cette expérience, elle parvient parallèlement à obtenir de petits rôles, notamment dans Scarecrow, l'ultime massacre, sous le nom de Lisa Munn.
Sa plastique parfaite lui vaut un rôle de surfeuse dans deux saisons de la série Makaha Surf, lui permettant de se faire connaître d'un plus large public. Elle joue dans son premier long-métrage en 2005, une comédie titrée "The Road to Canyon Lake", mais continue sa carrière de présentatrice. Quittant le monde du sport pour celui du jeu vidéo, elle présente l'émission "Attack of the Show !" avec Kevin Pereira pour la chaîne G4 à partir de 2006.
Apparaissant dans Le Grand Stan, de et avec Rob Schneider, en 2007, c'est dans le film d'horreur Insanitarium (direct-to-DVD) qu'elle obtient son premier rôle notable, celui d'une infirmière dans un asile de fous. L'actrice se fait ensuite remarquer aux côtés de Robert Downey Jr. dans Iron Man 2, notamment pour ses qualités d'improvisation. La comédienne interprète le rôle de Chess Roberts dans le blockbuster superhéroïque et son nom commence peu à peu à résonner mondialement.
L'actrice croise la route de Tony Stark en 2010...
De plus en plus connue via ses apparitions télévisuelles, en tant que présentatrice ou commentatrice, elle devient la vedette de la série Perfect Couples en 2010. Malheureusement, le programme est stoppé avant la fin de la première saison. Douée pour le registre comique, la jeune femme s'illustre également la même année dans Crazy Night où elle donne la réplique à Steve Carell.
Elle se spécialise dans la comédie en apparaissant dans les séries TV comiques Greek, New Girl (où elle affole le public masculin dans le rôle d'une strip-teaseuse) et Chuck, série comique d'espionnage dans lequel elle incarne un agent de la CIA. Elle fait également parler son talent au cinéma dans les comédies Mais comment font les femmes (dans le rôle de l'assistante de Sarah Jessica Parker) ou Babymakers.
...puis se glisse dans la peau de la sulfureuse Audrey dans Babymakers
Continuant sur sa lancée, elle présente de plus en plus de programmes et shows télés américains tout se contentant de seconds rôles et apparitions dans le milieu du long-métrage, comme son apparition dans Magic Mike, de Steven Soderbergh. Elle est par ailleurs mise en abîme dans la série The Newsroom où elle interprète une journaliste économique (un parallèle entre sa carrière d'actrice et de présentatrice). C'est cette même année 2012 qu'elle rencontre l'acteur Joel Kinnaman avec qui elle est désormais en couple.
Consacrée deuxième plus belle femme du monde en 2013 par le magazine Maximal, Munn joue l'année suivante aux côtés d'Eric Bana dans Délivre nous du mal, film d'épouvante-horreur sur fond de possession démoniaque. L'actrice joue ici un rôle dramatique totalement à contre-emploi de ce qu'elle interprète habituellement. Elle partage ensuite l'affiche avec Johnny Depp dans Mortdecai ; elle y interprète un personnage plus proche de son registre de prédilection, la comédie.
Un rôle à contre-emploi dans Délivre nous du mal
En 2015, la jeune femme de 34 ans voit sa carrière décoller quand elle est choisie par Bryan Singer pour rejoindre le casting de la superproduction X-Men Apocalypse, suite directe de X-Men Days of Future Past. Munn y interprète Elisabeth "Betsy" Braddock alias Psylocke, une mutante dotée de pouvoirs psychokinésiques. Il va toutefois falloir être patient avant de découvrir les courbes affolantes d'Olivia Munn dans le costume seyant de la super-héroïne, le film ayant une date de sortie prévue pour mai 2016.
Olivia Munn dans Perfect Couples
Olivia Munn interprète Jen dans Délivre nous du mal
Paul Schneider et Olivia Munn dans Babymakers
Olivia Munn dans Mortdecai
Olivia Munn incarne Audrey dans Babymakers
Jake Johnson et Olivia Munn dans New Girl
Olivia Munn interprète Sloan Sabbith dans The Newsroom
Zachary Levi et Olivia Munn dans Chuck
Olivia Munn et l'équipe de Perfect Couples
Olivia Munn et l'équipe de The Newsroom
Jenna Elfman et Olivia Munn dans Parents par accident
Olivia Munn et l'équipe de Perfect Couples
Johnny Depp et Olivia Munn dans Mortdecai
Olivia Munn et Nicolas Wright dans Parents par accident
Olivia Munn et Zachary Levi dans Chuck