Olsen đã bắt đầu diễn xuất khi cô chỉ mới bốn tuổi và đóng vai chính trong 6 sản phẩm của Mary-Kate và Ashley, cô cũng từng thử vai cho bộ phim Spy Kids. Cô gần như không diễn xuất vào năm 2004 do giới truyền thông tạo cơn sốt ở vấn đề về rối loạn ăn uống của Mary-Kate's.

Vai diễn đột phá của Olsen được nhận thấy từ năm 2011, khi cô xuất hiện trong bộ phim được phê bình đánh giá cao là phim Martha Marcy May Marlene. Cô được đề cử và giành được nhiều giải thưởng cho vai diễn của nhân vật Martha, một cô gái mắc chứng hoang tưởng sau khi chậy khỏi cuộc sống của cô từ một giáo phái và quay trở lại với gia đình. Tiếp theo cô xuất hiện trong bộ phim kinh dị được làm lại, Silent House, cô đóng vai Sarah và xuất hiện trong video âm nhạc "The Queen" của Carlotta. Olsen quay bộ phim Red Light trong khoảng giữa năm 2011, và nó được khởi chiếu tại Mỹ vào ngày 13 tháng 7 năm 2012. Cô thủ vai chính trong bộ phim của Josh Radnor, Liberal Arts và được khởi chiếu vào ngày 22 tháng 1 năm 2012. Cô và Dakota Fanning đóng trong Very Good Girls, khởi chiếu năm 2013.

Vào tháng 1 năm 2013, Olsen được đề cử cho giải thưởng  BAFTA Rising Star Award. Cô còn đóng vai chính trong bộ phim Oldboy (2013) được làm lại từ phim Hàn Quốc (2003), cô thủ vai Marie, một nhân viên xã hội trẻ người đã phát triển mối quan hệ với nhân vật chính, do Josh Brolin thủ vai. Olsen diễn vai Edie Parker, người vợ đầu tiên của Jack Kerouac và tác giả của cuốn hồi ký You'll Be Okay trong Kill Your Darlings.

Vào năm 2014, Olsen thủ vai trong một bộ phim được làm lại Godzilla.Năm 2015, cô đóng vai Scarlet Witch trong Avengers 2: Đế chế Ultron, phần tiếp theo của Avengers 1. Người từng hơp tác với cô là Taylor Johnson trong Godzilla lại một lần nữa đóng vai anh trai cô, Quicksilver. Sau Avengers 2, cô trở thành 1 trong các Avengers và xuất hiện trong các phần tiếp theo của vũ trụ phim Marvel. Cô là 1 trong các Avengers có sức mạnh khủng khiếp nhất,sở hữu sức mạnh của viên đá trí tuệ. Đặc biệt trong 2 phần Avengers 3: cuộc chiến vô cực và Avengers 4: Endgame, sức mạnh của cô đã được bộc lộ rõ rệt nhất. Sau Avengers 4, cô hứa hẹn sẽ tiếp tục là trụ cột của Avengers và các series phim Marvel sắp tới. Scarlet Witch là 1 trong những nhân vật được yêu thích nhất trong vũ trụ điện ảnh Marvel.