Nació en Cambridge (Inglaterra), pero su familia se trasladó a Australia cuando tenía sólo 5 años de edad. Su abuelo materno fue el alemán Max Born, que obtuvo un Premio Nobel de Física. En Australia, donde transcurrió su infancia y adolescencia, estudió en la universidad de Melbourne.

Los inicios de Newton-John como cantante se remontan a su infancia, cuando cantaba en numerosas ocasiones con una voz y una técnica sorprendentes para una niña. Ganó un concurso a los dieciséis años que la llevó a Inglaterra para grabar algunas canciones. Allí comenzó su trayectoria profesional.

En 1971 se fue a vivir a los Estados Unidos, donde alcanzó pronto fama como cantante de música pop y también de música country. A lo largo de su carrera sus canciones alcanzaron en 5 ocasiones el primer puesto en las listas de ventas. Una de ellas fue Physical, que permaneció durante 10 semanas en ese puesto. También obtuvo 4 premios Grammy. En 1979 participa del Concierto benéfico Music for UNICEF, junto a artistas como los Bee Gees, ABBA, Donna Summer, Rod Stewart, entre otros, cantando "Rest your love on me" y "The Key".

En 1974 representó al Reino Unido en el Festival de Eurovisión que se celebró en la ciudad inglesa de Brighton. Cantó "Long live love" y quedó en 4ª posición resultando como ganadores los suecos ABBA.

Newton-John también ha sido actriz, participando en películas de carácter musical. Su mayor éxito fue Grease, con John Travolta. Las siguientes, como Xanadu o Two of a Kind, no fueron tan bien acogidas por el público aunque sus respectivas bandas de sonido fueron de gran éxito. Tiene una estrella con su nombre en Hollywood Boulevard, en reconocimiento de su extraordinaria trayectoria.

Newton-John estuvo casada entre 1984 y 1995 con el actor Matt Latanzi. De este matrimonio tiene una hija, Chloe, nacida en 1986. Desde 1996 vive con Patrick McDermott, un operador de cámara. En 1992 fue intervenida quirúrgicamente de cáncer de mama, del cual actualmente se ha recuperado. De su experiencia nació el álbum Gaia: A woman's journey.

En 2002, Olivia fue galardonada con el prestigioso Australian Music Hall Of Fame en los 16th Annual Aria Awards. También ha recibido recientemente de manos de su compañero en Grease, el Lifetime Achievement Award en 2006.

Ha sido nombrada Oficial de la orden de Australia por la reina por su "servicio a la comunidad como cantante y actriz, y por su apoyo a organizaciones benéficas en especial las relativas al cáncer y el medio ambiente.”

Actualmente se encuentra de gira con "Grace and Gratitude".