Tout comme les réalisateurs de la Nouvelle Vague, Olivier Assayas se forme au cinéma en passant par la critique et les courts-métrages. Il écrit  notamment pour Les Cahiers du Cinéma, et se fait connaître par ses courts-métrages, dont le remarqué Laissé inachevé à Tokyo (1982).

Grand amateur de films asiatiques, il dirige un numéro spécial sur le sujet dans Les Cahiers. Il s’initie également à l’écriture en co-signant les scénarios de Rendez-vous et Le Lieu du crime d’André Téchiné.

Le premier long-métrage d’Olivier Assayas, Désordre remporte le prix de la critique internationale à la Mostra de Venise en 1986.

Irma Vep en 1996, film hommage à Louis Feuillade, est sélectionné à Cannes dans la catégorie Un Certain Regard.
Il s’essaye ensuite au documentaire, avec HHH un portrait de Hou Hsiao-Hsien en 1997, et Eldorado, qui suit le chorégraphe Angelin Preljocaj.

Olivier Assayas est de retour sur la Croisette en 2002, avec le surprenant et high tech Demonlover. Il y revient en 2014 avec Juliette Binoche et Kristen Stewart pour  présenter Clouds of Sils Maria.
Son biopic Carlos sur le terroriste vénezuélien, diffusé à Cannes hors compétition en 2010, remporte les faveurs des critiques.

Après Mai, est remarqué à la Mostra de Venise en 2012 avec le prix du meilleur scénario. Personal Shopper, prix de la mise en scène à Cannes en 2016, questionne entre autres la place de la technologie dans notre société. Cette question est à nouveau centre de son prochain film Doubles Vies, avec Guillaume Canet et Juliette Binoche, qui sortira sur les écrans français en 2019.

Olivier Assayas est l’invité d’honneur du Midnight Sun Film Festival, où en tant que spécialiste d’Ingmar Bergman, il anime la Master Classe dédiée au réalisateur suédois.
Son film L’Eau froide (1994), dont la bande originale comporte des morceaux de Bob Dylan, Janis Joplin ou encore Alice Cooper, est également présenté.