Nata a Lowell - nel Massachussetts - nel giugno 1931, figlia di immigrati greci, Olympia Dukakis debutta a teatro all’inizio degli anni Cinquanta e esordisce al cinema in un ruolo secondario in Lilith, la dea dell’amore (1964) di Robert Rossen, con Warren Beatty, Jean Seberg, Peter Fonda e Gene Hackan (al suo secondo film).

Dopo qualche altro film (Un assassino per testimone - 1969 - di Bernard L. Kowalski, John e Mary - 1969 - di Peter Yates, con Dustin Hoffman e Mia Farrow, Terapia di gruppo - 1971 - di Robert B. Bean, Il giustiziere della notte - 1974 - di Michael Winner, con Charles Bronson, The Wanderers - I nuovi guerrieri - 1979 - di Philip Kaufman, con Ken Wahl e Karen Allen), vince l’Oscar come Miglior Attrice Non Protagonista per la sua performance della madre italiana di Cher nel celebre Stregata dalla luna (1987) di Norman Jewison.

Fra le sue altre apparizioni cinematografiche ricordiamo Una donna in carriera (1988) di Nike Nichols, con Melanie Griffith, Harrison Ford e Sigourney Weaver, Fiori d’acciaio (1989) di Herbert Ross, con Sally Field, Shirley MacLaine, Daryl Hannah, Sam Shepard ed una giovane Julia Robert ad inizio carriera, Senti chi parla (1989) di Amy Heckerling, con Kirstie Alley, John Travolta e George Segal, Dad - Papà (1990) di Gary David Goldberg, Due donne e un assassino (1990) di Sandra Seacat, Senti chi parla 2 (1990) di A. Heckerling, Il club delle vedove (1993) di Bill Duke, Senti chi parla adesso! (1993) di Tom Ropelewski, Inviati molto speciali (1994) di Charles Shyer, con Nick Nolte, Julia Roberts e Robert Loggia, La dea dell’amore (1995) di Woody Allen, con W. Allen e Mira Sorvino, Jeffrey (1995) di Christopher Ashley, Goodbye Mr Holland (1995) di Stephen Herek, Romantici equivoci (1997) di Glenn Gordon Caron, Mafia (1998) di Jim Abrahams, Quando verrà la pioggia (2002) di Kristian Levring, Ricomincio da me (2005) di Raymond De Felitta, Away From Her - Lontano da lei (2006) di Sarah Polley, con Julie Christie e Gordon Pinsent, In The Land of Women (2007) di Jon Kasdan, Cloudburst (2011) di Tom Fitzgerald.

Nel 2009 partecipa al documentario I Knew it Was You di Richard Shepard, dedicato a John Kazale (1935-1978) - interprete di Il padrino, Il padrino - Parte II e La conversazione di Francis Ford Coppola, Quel pomeriggio di un giorno da cani di Sidney Lumet e Il cacciatore di Michael Cimino - a trent’anni dalla sua scomparsa.

In epoche più recenti è apparsa in The Infiltrator (2016) di Brad Furman e The Untold Tales of Armistead Maupin (2017) di Jennifer M. Kroot.

Attiva anche in televisione, è apparsa in vari film tv (The Librarian - Alla ricerca della lancia perduta - 2004 - di Peter Winther, The Librarian 2 - Ritorno alle miniere di Re Salomone - 2006 - di Jonathan Frakes) ed in alcuni episodi di serie e miniserie (Il dottor Kildare - 1962 - Aspettando il domani - 1983-84, trenta episodi -, Un giustiziere a New York - 1986 -, Sinatra - 1992 - di James Steven Sadwith, Tales of the City - 1993, sei episodi - di Alastair Reid, Il tocco di un angelo - 1996 - More Tales of the City - 1998, sei episodi - di Pierre Gang, Giovanna d’Arco - 1998 - di Christian Duguay, Further Tales of the City - 2001, quattro episodi - di P. Gang, Numbers - 2006 -, Law & Order - Unità vittime speciali - 2001 - Forgive Me - 2013-15, sette episodi, Tales of the City - 2018-19, nove episodi)

A teatro, nel corso di oltre sessant’anni di carriera, ha recitato in numerose pièces, fra cui ricordiamo   Otello (1961) di William Shakespeare, regia di Nikos Psacharopoulos, J.B. (1961) di Archibald MacLeish, regia di Francisco Williams, La notte dell’iguana (1963) di Tennessee Williams, regia di N. Psacharopulos, Elettra (1964) di Sofocle, regia di Gerald Freedman, Tito Andronico (1967) di W. Shakespeare, regia di G. Freedman, Peer Gynt (1969) di Henrik Ibsen, regia di G. Freedman, Madre Coraggio e i suoi figli (1989) di Berthold Brecht, regia di G. Freedman, Ecuba (1994) di Euripide, regia di Carey Perloff, Il giardino dei ciliegi (2001) di Anton Cechov, regia di Louis Zorich, Elettra (2010 e 2011) di Sofocle, regia di C. Perloff, Il treno del latte non ferma più qui (2011) di T. Williams, regia di Michael Wilson, Madre Coraggio e il suoi figli (2013) di B. Brecht, regia di Tony Simotes.