1986'da Sherman Oaks, California'da doğdu. Jarnette ve David Olsen çiftinin çocuğuydu. Küçük kız kardeşi Elizabeth Olsen da oyunculuk yapmaktadır. Ayrıca Trent adlı bir ağabeyi vardı. Babasıyla annesi, 1996'da boşandılar.

Televizyon ekranlarında daha bebeklik yıllarında görünmeye başlayan Olsen, 1987'den 1995'e dek kardeşiyle ortaklaşa oynadığı Michelle Taner rolüyle yer aldığı Full House dizisi sayesinde büyük ün kazandı. Sonrasında It Takes Two, Passport to Paris, Our Lips Are Sealed, When in Rome, New York Minute gibi çok sayıda aile-gençlik filmiyle kendi nesillerinin en iyi çocuk oyuncuları arasına ikiz kardeşiyle birlikte adını yazdırdı. 2004'te oyunculuğu bırakma niyetini açıklayan Mary-Kate Olsen, Factory Girl, The Wackness gibi filmlerde (kardeşi olmadan) çok küçük rollerde gözükse de yetişkinlik döneminde modacı ve tasarımcı olarak hayatını sürdürdü.

2015'te eski Fransa Cumhurbaşkanı Nicolas Sarkozy'nin üvey kardeşi Olivier Sarkozy ile evlendi.