Олсен родились 13 июня 1986 года в Шерман Оуксе, Калифорния, Мэри-Кейт на 2 минуты младше Эшли. Их отец Дэвид Олсен - ипотечный банкир, а мать Джарнетт Фуллер - менеджер. В семье еще два ребенка: старший брат Джеймс и младшая сестра Лиззи. Мэри-Кейт Олсен начала свою актёрскую карьеру в 1987 году в возрасте девяти месяцев, когда она и её сестра-близнец Эшли Олсен получили их первую совместную роль Мишель Таннер в телесериале «Полный дом». Близнецы играли одного персонажа из-за строгих законов о труде в отношении продолжительности времени присутствия на съемочной площадке детей-актёров их возраста. Пригласив близнецов, производители смогли увеличить время съемочного дня. Продюсерам также понравилось, что во время их прослушивания, Мэри-Кейт и Эшли понравилось играть свою роль и они никогда не плакали во время сьемок.

В 1993 году сестры Олсен стали активно раскручивать свой образ и организовали компанию Dualstar, став самыми молодыми продюсерами. Компания занимилась продюсированием фильмов с участием сестёр в главных ролях, а также продажей именных предметов, включая косметику и одежду. Снимаясь в сериале, сёстры также были задействованы в производстве телефильмов, созданных специально для них, для того чтоб расширить ряд своих поклонников.

После окончания сериала в 1995 году Мэри-Кейт продолжила сниматься совместно с Эшли, вместе они выпустили ряд очень успешных видео-фильмов и стали весьма популярны на «подростковом» рынке в конце 1990-х — начале 2000-х годов. Их имена стали брендом целой индустрии, их образы мелькали везде: в одежде, книгах, фильмах, плакатах и т.д. Также в 2000-2005 годах выпускались компанией Mattel их куклы.

В 1995 году карьера Мэри Кейт Олсен резко взлетела вверх после выхода на экраны фильма – «Двое: я и моя тень», причем в кинотеатре лента провалилась, но после выхода ее на видео начался настоящий ажиотаж. В 10 лет близняшки стали самыми юными миллионерами.

В 2004 году Мэри-Кейт появилась с сестрой Эшли в последнем совместном фильме «Мгновения Нью-Йорка». Стремясь к созданию независимого образа для себя и своей сестры, Мэри-Кейт попросила общественность и СМИ относиться к ним не как к «сёстрам Олсен», а как к Мэри-Кейт Олсен и Эшли Олсен.

Первый сольный проект Мэри-Кейт в актёрской карьере – появление в фильме «Я соблазнила Энди Уорхола», вышедшем в декабре 2006 года. Также у неё была периодическая роль Тары Линдмен в сериале «Косяки».

В 2008 году появляется в фильме «Безумие» в роли Юнион. На кинофестивале Сандэнс Мэри-Кейт получила похвалу от партнёра по съемочной площадке Бена Кингсли, который сказал, что она профи и идеально сыграла свою роль девушки-истерички. Также в 2008 году появилась в одном эпизоде сериала «Кто такая Саманта?».

В 2011 году вышел фильм с её участием «Страшно красив», кроме того она получила роль Стейси в фильме-драме «История девушки» с Кевином Бэйконом в главной роли.

На свой 18-й день рождения в 2004 году Мэри-Кейт Олсен присоединилась к совету директоров компании Dualstar Entertainment Group. На то время главная деятельность компании была сосредоточена вокруг образа «близнецов Олсен». После получения контроля над компанией Мэри-Кейт с сестрой начали ориентироваться на «подростковый рынок товаров», в том числе декор для дома и парфюмерию. Их успех был отмечен попаданием в список «100 знаменитостей» Forbes с 2002 года, и в 2007 году сёстры Олсен оказались на 11-м месте среди самых богатых женщин в индустрии развлечений со своей оценочной стоимостью $100 млн.

В 2005 году, по версии журнала FHM, сестры Олсен заняли 32 место в списке 100 самых сексуальных женщин мира. Привлекательности образам сестричек прибавляет и их безупречное чувство стиля. Мэри Кейт ввела новую манеру одеваться. Ее личный стиль назвали «Уличным шиком» или «Гламурный бездомный» и подхватили звезды и поклонники по всему миру. Чувствуя свой успех на модной ниве, сестры Олсен запустили собственные линии одежды. Люксовую The Row, названную так в честь лондонской улицы с модными магазинами, и массовую Elizabeth&James - в честь брата и сестры. Молодежь в восторге от идей сестричек. Однако сестры Олсен нередко подвергаются резкой критике со стороны общества по защите прав животных PETA за использование натурального меха и кожи.