Lena Olin a commencé sa carrière sur scène au Royal Dramatic Theater à Stockholm (Suède) , sa ville natale. C'est là qu'elle a rencontré le metteur en scène légendaire Ingmar Bergman, qui a écrit, spécialement pour elle, le personnage d'Anna dans le film After the Rehearsal. Elle fait ses débuts dans le cinéma américain dans le film très apprécié par la critique The Unbearable Lightness of Being, et obtint le premier rôle dans Enemies, A Love Story de Paul Mazursky pour lequel elle reçut le New York Film Critics' Award et une nomination aux Oscars. Elle joue aussi dans The Night and the Moment, Romeo is Bleeding, Havana et Mr. Jones. Elle vient de tourner avec Gabriel Byrne et Claire Danes dans Polish Wedding.