Nació en Cambridge, Reino Unido. Es hija de madre judía alemana y padre británico. Su abuelo materno fue el físico y matemático alemán Max Born, que obtuvo un Premio Nobel de Física.
Cuando solo tenía 5 años se trasladó a Australia con su familia, ya que a su padre le ofrecieron un trabajo como profesor en una universidad de Melbourne. Tuvo una hermana, la actriz Rona Newton-John, la cual falleció de cáncer. Se la conoce por el apodo Livvy, de Olivia. En Australia, donde transcurrió su infancia y adolescencia, estudió en la Universidad de Melbourne.
Newton-John también ha sido actriz, participando en películas de carácter musical. Su mayor éxito fue Grease, con John Travolta.
Las siguientes no tuvieron igual éxito, en especial Xanadu, que fracasó a pesar de la participación de Gene Kelly y de la música compuesta por Jeff Lynne, miembro fundador de Electric Light Orchestra (ELO). Tampoco triunfó Two of a Kind, mal acogida por el público aunque su banda sonora fue igualmente un gran éxito.
Olivia Newton-John tiene una estrella con su nombre en Hollywood Boulevard, en reconocimiento de su extraordinaria trayectoria.
En 2012, después de veinte años de la detección de su cáncer, volvió a padecerlo, pero lo mantuvo en secreto. En 2017 reveló que fue diagnosticada con un cáncer por tercera vez. Explicó que los médicos le diagnosticaron un tumor en la base de la columna vertebral, y que fue sometida a radioterapia; también dijo seguir terapias naturales y consumir aceite de cannabis para los dolores. «Sigo un tratamiento natural y estoy muy bien», declaró al canal australiano Seven Network desde su residencia en California.
El 8 de agosto de 2022 falleció en su casa del sur de California, a los 73 años, a causa del cáncer que padecía.
