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Elizabeth começou sua carreira aos cinco anos de idade, quando atuou em um episódio da série de suas irmãs "The Adventures of Mary-Kate & Ashley: O Caso da Mansão Thorn". Naquele mesmo ano ela atuou também em How the West Was Fun outra produção com suas irmãs. Em 1995, atuou em mais um episódio de "The Adventures of Mary-Kate & Ashley: The Case of The Christmas Caper". Em 1996, participou do último episódio de "The Adventures of Mary-Kate & Ashley: The Case of The Of The U.S Space Camp".

Elizabeth já atuou em três filmes que foram lançados em 2011 e 2012. Ela atuou pela primeira vez no filme Peace, Love, and Misunderstanding (2011), no qual desempenhou o papel de Zoe. Outro filme da atriz é Martha Marcy May Marlene, lançado em 2012. Outro filme em que ela atuou intitula-se Casa Silenciosa, onde desempenhou o papel de Sarah. Foi uma das protagonistas do filme Garotas Inocentes juntamente com Dakota Fanning, em 2013. Protagonizou junto com Tom Hiddleston o filme I Saw The Light, lançado em 2015. Apareceu, também, no vídeo da música "The Queen", de Carlotta.

Em janeiro de 2013, Olsen foi indicado ao prêmio BAFTA Rising Star.[5] Ela co-estrelou em 2013 um remake americano de 2003 sul-coreano filme Oldboy; ela interpretou Marie, uma jovem assistente social que desenvolveu um relacionamento com o protagonista, interpretado por Josh Brolin. Ela interpretou Edie Parker, primeira esposa de Jack Kerouac e autor do livro de memórias da Beat Generation, You Be Okay, em Kill Your Darlings. Também em 2013, ela retratou o papel principal em In Secret, uma adaptação de 1867 de Émile Zola,uma novela clássica Thérèse Raquin.

Olsen interpretou Audrey Williams, esposa de Hank Williams, gerente e parceira de dueto no filme biopic de 2015 I Saw the Light, dirigido por Marc Abraham e estrelado por Tom Hiddleston como Hank Williams.

Recentemente, a atriz esteve presente no filme-remake Godzilla e teve destaque interpretando Wanda Maximoff, que foi integrada ao Universo Marvel Cinematográfico em Vingadores: Era de Ultron, reprisando o papel em Capitão América: Guerra Civil, Vingadores: Guerra Infinita e Vingadores: Ultimato.

No final de 2018, a Disney confirmou que uma série de televisão da Marvel, estrelada por Olsen, e Paul Bettany seria transmitida em seu próximo serviço de streaming Disney+; WandaVision, foi confirmado em abril de 2019. A série será uma ligação direta ao próximo filme Doutor Estranho no Multiverso da Loucura, onde Olsen foi confirmada para fazer parte do elenco.