Dia kembali ke Oklahoma saat remaja, dan kemudian memperoleh gelar Bachelor of Arts di bidang jurnalisme di University of Oklahoma, berniat menjadi jurnalis siaran. Setelah magang di stasiun berita di Tulsa, Munn pindah ke Los Angeles, di mana dia memulai karier profesionalnya sebagai pembawa acara televisi untuk jaringan permainan G4, terutama di seri Attack of the Show! dari 2006 sampai 2010.
Dia juga seorang koresponden di The Daily Show dari 2010 hingga 2011. Munn kadang-kadang bekerja sebagai aktris di akhir tahun 2000-an juga, tampil sebagai peran utama di serial televisi Beyond the Break dari 2006 hingga 2009, serta dalam peran pendukung dalam film komedi Big Stan (2007) dan Date Night (2010), film pahlawan super Iron Man 2 (2010), and Steven Soderbergh drama komedi Magic Mike (2012).
Pada 2012, Munn berperan sebagai Sloan Sabbith di Aaron Sorkin HBO serial drama politik The Newsroom, dan muncul di serial untuk ketiga musim. Dia kemudian membintangi film horor supernatural Deliver Us from Evil (2014), komedi Mortdecai (2015), dan X-Men: Apocalypse (2016) sebagai Psylocke. Pada 2017, dia mengisi suara Koko in The Lego Ninjago Movie, dan juga memiliki peran utama di History Channel seri Six (2017). Pada tahun 2018, ia memiliki peran utama dalam film fiksi ilmiah The Predator, film keempat di Predator franchise.
Olivia Munn dan John Mulaney akan menjadi orang tua. John mengkonfirmasi pada Selasa malam (7/9) bahwa ia dan Olivia sedang menantikan anak pertama mereka. John mengumumkan berita bahagia itu saat tampil di Late Night with Seth Meyers. John kemudian melanjutkan dengan mengatakan bahwa dia mampu melewati tahun yang sulit ini dengan Olivia di sisinya sepanjang waktu. John dan Anna Maria pertama kali mengumumkan perpisahan mereka pada Mei 2021 setelah menikah selama tujuh tahun. Beberapa hari kemudian, terungkap bahwa dia dan Olivia berkencan.