Kurylenko sinh ra ở Berdiansk, Ukraina, lúc đó là một phần của Liên Xô. Cha cô, Konstantin, là người Ukraina, và mẹ cô, Marina Alyabysheva, người dạy nghệ thuật và là một nghệ sĩ triển lãm,[2] sinh ra ở Irkutsk, Nga, và là người gốc Nga và Belarus.[3]

Cha mẹ cô ly hôn khi cô lên ba và cô được mẹ nuôi của mình nuôi dưỡng. Kurylenko hiếm khi liên lạc với cha cô, gặp anh lần đầu tiên sau khi chia tay khi cô lên tám, và sau đó khi cô mới 13 tuổi.[3][4]