Avant de passer derrière la caméra, Olivier Assayas a été dessinateur et graphiste puis il a signé de nombreuses critiques de cinéma. Il publie ses premières critiques dans le magazine Métal Hurlant (1979-1981) puis dans Les Cahiers du cinéma (1980-1985) et dans Rock & Folk (1982-1985). Il apporte aux Cahiers son goût pour les films de kung-fu. Il dirige d'ailleurs le numéro spécial sur les cinémas d'Asie qui fait découvrir le cinéma de King Hu ; ce numéro spécial, publié au milieu des années 1980, est pour Assayas l'occasion d'effectuer un grand voyage en Chine et de rencontrer à Hong Kong et à Taïwan les jeunes réalisateurs de la relève. Mais Assayas, aux goûts très éclectiques, est également un fervent admirateur de
Bergman et des héritiers de la Nouvelle Vague. Il met un terme à son activité de critique en 1985 pour se consacrer à la réalisation.
Après avoir réalisé quelques courts métrages et avoir collaboré au scénario de
Rendez-vous d'André Téchiné, il fait ses débuts en 1986 avec Désordre qui se fait remarquer par la critique. Dans ses premiers films, il aborde l'univers du rock et de la jeunesse. Cinéaste générationnel, il s'impose comme l'un des héritiers de la Nouvelle Vague, à la fois libre et distancié. Il faut néanmoins attendre Irma Vep en 1996 pour qu'il obtienne une reconnaissance du public, avec un film savamment hybride, qui mélange hommage à Louis Feuillade (Irma Vep, anagramme de Vampire, est le nom d'une des héroïnes du maître du muet), au cinéma de la Nouvelle Vague, et au cinéma de Hong Kong, dont est issue l'actrice Maggie Cheung. Celle-ci devient sa femme le 26 décembre 1998, ils divorceront en 2001.
Après un hommage au réalisateur taiwanais Hou Hsiao-hsien, il réalise Fin août, début septembre avec François Cluzet, à l'écoute d'une génération, dans la mouvance d'Arnaud Desplechin.
Assayas se lance alors dans un ambitieux projet : adapter Les Destinées sentimentales, l'ample roman de Jacques Chardonne, écrivain cher à Truffaut, décrivant la saga d'une famille protestante dans le monde de la porcelaine. Il en tire un film de trois heures, aux trois parties nettement marquées par leurs styles respectifs, servies par Emmanuelle Béart et Charles Berling dans les rôles principaux, au romantisme paradoxalement dénué de sentimentalité. La densité du propos et l'intensité de l'interprétation rencontrent un accueil mitigé.
Dans Demonlover, Assayas pousse plus loin son propos : un sujet éminemment d'actualité (les rivalités personnelles et d'entreprises autour des marchés naissants de l'Internet), un total cynisme des comportements, et une virtuosité de la caméra et du montage, non dénuée d'excès visuels. À l'analyse, le film est un des objets les plus intéressants produits par le cinéma français depuis longtemps, mais son traitement tient à l'écart le public.
En 2003, Assayas tourne à nouveau avec Maggie Cheung dont il a divorcé deux ans auparavant, pour
Clean. Elle y interprète une chanteuse toxicomane, qui tente de s'en sortir pour retrouver sa dignité et la garde de son enfant.
Olivier Assayas est le compagnon de Mia Hansen-Love, actrice et réalisatrice de Tout est pardonné (sorti en septembre 2007). Le couple a eu son premier enfant en 2009.
En 2008, il réalise la mise en image du ballet Eldorado du chorégraphe français de danse contemporaine Angelin Preljocaj et de la rencontre et du travail de ce dernier avec Karlheinz Stockhausen avant sa mort en décembre 2007.