Özlem Yılmaz, 17 Temmuz 1986 tarihinde İstanbul'da doğmuştur. Rizeli bir ailenin kızı olan Yılmaz, eğitim hayatına Kartaltepe İlköğretim Okulu'nda başlamış, ardından Kültür Koleji'nde eğitimini sürdürmüştür. Lise yıllarını ise Ataköy Cumhuriyet Lisesi'nde tamamlamıştır.
Çocukluğundan itibaren oyunculuk hayali kuran Yılmaz, Müşfik Kenter'den özel ders almaya başlamış ancak babasının vefatı nedeniyle bir süre ara vermiştir. Bir yıl sonra Müjdat Gezen Sanat Okulu'na katılarak oyunculuk eğitimine devam etmiş ve 2006 yılında Müjdat Gezen Actor Studio bölümünden mezun olmuştur. Oyunculuğa adımını, aynı yıl "Karagümrük Yanıyor" dizisiyle atmıştır.
Kariyerine yönetmenliğini Kudret Sabancı'nın üstlendiği "Karaoğlan" adlı filmle ilk sinema deneyimiyle devam eden Özlem Yılmaz, "Kara Ekmek", "Unutulmaz", "Zoraki Koca", "Dedektif Memoli", "Ağlama Anne" gibi önemli yapımlarda yer alarak adından söz ettirmiştir. Ancak, 2022 yılında oyunculuğu bıraktığını açıklamıştır.
Özel hayatında, 9 Kasım 2013 tarihinde uzun süredir birlikte olduğu Ahmet Ayar ile evlenmiş ancak çift 2015 yılında boşanmıştır. Özlem Yılmaz'ın kariyerine dair haber ve gelişmeler merakla beklenmektedir.
