Olivier Dahan entre à vingt ans, en 1987, à l'École d'art de Marseille où il obtient en 1991 le diplôme national supérieur d'expression plastique. Entre 1988 et 1997 il réalise sept courts métrages, des clips pour IAM, Mc Solaar, The Cranberries, Zucchero, etc. et participe à des expositions d'art. En 1994, Olivier Dahan met en scène pour la chaîne Arte son premier long métrage, Frères, dans la collection « Tous les garçons et les filles de leur âge ». Le film est sélectionné par le Festival international du film de Berlin. Il sort en salle en 1997 de même que Déjà mort, un drame dans l'univers désespéré de jeunes niçois fortunés et mal dans leur peau. Parmi les interprètes :
Benoît Magimel, Clément Sibony et Zoé Félix.
En 2001, il tourne une adaptation du conte de Charles Perrault, Le Petit Poucet, puis un film sombre en 2002, La Vie promise avec
Isabelle Huppert dans le rôle d'une prostituée à la recherche de son ex-mari. En 2003, les producteurs Alain Goldman et
Luc Besson, lui proposent de réaliser Les Rivières pourpres 2 - Les anges de l'apocalypse, avec Benoît Magimel.
Au début de 2004, il envisage de tourner un film sur la vie d'Édith Piaf qu'il réalise en 2006 avec
Marion Cotillard dans le rôle de la chanteuse mythique. Le film, La Môme, (titré en anglais La Vie en rose), fait l'ouverture du Festival de Berlin 2007. Marion Cotillard obtient en 2008 pour sa composition un Golden Globe, le BAFTA, British Academy of Film and Television Arts de la meilleure actrice ; le César de la meilleure actrice et l'Oscar de la meilleure actrice. L'Oscar du meilleur maquillage est aussi attribué à son équipe de maquillage.
En 2009 et 2010, il met en scène le spectacle Mozart, l'opéra rock, produit par Dove Attia et Albert Cohen.