Fille de l'acteur Stig Olin.
Lena Olin débute sa carrière d'actrice sur les planches. Elle fait partie du prestigieux Royal Theatre de Stockholm, dirigé par Ingmar Bergman. Ce dernier lui offre son premier rôle au cinéma dans l'inquiétant Face-à-face (1976). Elle le retrouve en 1982 pour un drame familial, Fanny et Alexandre. Après ses débuts en Suède, elle entame une carrière aux Etats-Unis. Elle s'y révèle en 1987 dans L'Insoutenable Légèreté de l'être de Philip Kaufman aux côtés de Juliette Binoche.
En 1990, elle vit une histoire d'amour avec Robert Redford sur fond de guerre civile dans Havana de Sydney Pollack. Puis elle séduit Richard Gere dans Mr. Jones (1993, Mike Figgis). On la retrouve dans des films sombres comme Romeo is Bleeding (1993, Peter Medak) ou encore Dans l'ombre de Manhattan (1997, Sidney Lumet).
Après un passage dans le registre de la comédie grand public avec Mystery men (1999, Kinka Usher), elle retrouve Juliette Binoche dans la fable de Lasse Hallström intitulée Le Chocolat (2000).
Lena Olin poursuit ensuite sa carrière dans le cinéma de genre, apparaissant coup sur coup dans des films fantastiques ou policiers comme Ignition, Darkness ou Hollywood Homicide. A partir de 2002, elle joue pour le petit écran dans la série télévisée Alias. Son mari à la ville Lasse Hallström la dirige ensuite dans Casanova, film où elle a pour partenaire Heath Ledger et Jeremy Irons.
Awake (Prochainement), de Joby Harold
Alias (2005) - Saison 5 SÉRIE TV
épisode : 9, 11, 17
Casanova (2005), de Lasse Hallström
Alias (2004) - Saison 4 SÉRIE TV
épisode : 21, 22
The Triangle (2004), de Peter Medak
Hollywood Homicide (2003), de Ron Shelton
Darkness (2003), de Jaume Balaguero
Ignition (2003), de Yves Simoneau
The United States of Leland (2003), de Matthew Ryan Hoge
La Reine des damnés (2002), de Michael Rymer
Alias (2002) - Saison 2 SÉRIE TV
Le Chocolat (2001), de Lasse Hallström
Mystery Men (1999), de Kinka Usher
La Neuvième Porte (1999), de Roman Polanski
Hamilton (1998), de Harald Zwart
Dans l'ombre de Manhattan (1997), de Sidney Lumet
La Nuit et le moment (1995), de Anna Maria Tato
Lumière et compagnie (1995), de Lasse Hallström
Romeo is Bleeding (1994), de Peter Medak
Mr. Jones (1994), de Mike Figgis
Havana (1991), de Sydney Pollack
L'Insoutenable légèreté de l'être (1988), de Philip Kaufman
Après la répétition (1984), de Ingmar Bergman
Fanny et Alexandre (1982), de Ingmar Bergman
Face-à-face (1976), de Ingmar Bergman
Enemies : a love story, de Paul Mazursky
Devil You Know, de James Oakley