1928年にフリーに戻り、1929年に『三階の殺人』のニューヨーク公演にも参加する。

1930年にドイツ・ウーファ社の『The Temporary Widow』にて映画デビュー、また同年には女優のジル・エズモンドと2年間の交際が実って結婚する。結婚後出演したノエル・カワードの舞台劇『私生活』がヒットし、ブロードウェイに進出。1931年、ブロードウェイ公演終了後にハリウッドへ呼ばれ、『Fred and Lovers』など3作品に映画出演、2年近く滞在することになった。

1933年に帰国し、ロンドンの舞台に復帰する。1937年には映画『無敵艦隊』で共演したヴィヴィアン・リーと恋に落ち、人目を忍ぶ仲がしばらく続いた。同年にシェイクスピア劇の本拠オールド・ヴィック・シアターに加わり、『ハムレット』や『十二夜』の舞台が成功したのを機にスター俳優としての声価も確立するようになる。1938年に『嵐が丘』の撮影のため渡米。撮影の合間に『風と共に去りぬ』の映画化が決定したことから、スカーレット・オハラ役を熱望していたリーを呼び寄せて製作者のデヴィッド・O・セルズニックに紹介する。

1940年8月に『美女ありき』の撮影中にエズモンドとの離婚が成立、撮影終了後に晴れてリーと再婚し、帰国する。

帰国後は海軍に志願、航空隊のパイロットとして海軍に在籍中の1943年に、命じられて国威発揚映画『The Demi-Paradise』と『ヘンリィ五世』を監督・主演。特に『ヘンリィ五世』はシェイクスピア劇の完璧な映画化と絶賛される。1944年にはラルフ・リチャードソンとともに、ドイツ空軍のロンドン爆撃で劇場が破壊されて以来、停止していたオールド・ヴィク座の再建に尽力。

終戦後はヨーロッパ各地やニューヨークに巡業し、批評家から絶賛される。これらの功績により、1947年にナイト位を授けられる。この年に製作・監督・脚色・主演した映画『ハムレット』が1948年度のアカデミー作品賞、主演男優賞を受賞。名実共にイギリスを代表する名優にまでのし上がる。

しかし、私生活ではリーのニンフォマニアの症状と躁鬱病の発作に悩まされ続け、1957年に舞台や映画『The Entertainer』で共演した新進女優ジョーン・プロウライトとの生活に安らぎを見出して、ついに1960年にリーと離婚、プロウライトと再婚する（3度目にして最後）。1962年から1963年までナショナル・シアターのディレクターを務め、1970年には俳優として初めて一代貴族に叙され、「ブライトンのオリヴィエ男爵」となる[6][7]。1972年

1989年7月11日、腎不全のため死去。墓所はウェストミンスター寺院。子供はエドモンズの間に1男、プロウライトとの間に1男2女を儲ける。アカデミー賞には、俳優として10回（主演賞9回、助演賞1回）ノミネートされ、特に主演賞9回ノミネートは、スペンサー・トレイシーと並んで歴代1位である。また、1947年と1979年には名誉賞を受賞した。一方、『インチョン!』という迷作に関わってしまったために1982年にはゴールデンラズベリー賞の最低主演男優賞を受賞することとなった。1984年に自伝『一俳優の告白』を発表した。本人が最も気に入っている作品は、意外にも残忍なナチスの残党を演じた1976年の映画『マラソンマン』だという。

オリヴィエの死後に出版された伝記などには、オリヴィエがバイセクシュアルであった可能性が示唆されている[8]。3番目の妻であったジョーン・プロウライトは、オリヴィエは彼女との結婚前にダニー・ケイと関係を持っていたと仄めかしている[9]。また、俳優のデヴィッド・ニーヴンは、ある時オリヴィエとマーロン・ブランドがプールでキスしているところを目撃したと語っている[10]。
主な出演作

公開年邦題
原題役名備考
1935勇気ある男
Moscow Nightsイヴァン・イグナトフ
1936お気に召すまま
As You Like Itオーランドー
1937無敵艦隊
Fire Over Englandマイケル・インゴルビー
淑女は離婚がお好き
The Divorce of Lady Xエバラード・ローガン
1939スパイは暗躍する
Q Planesトニー
嵐ケ丘
Wuthering Heightsヒースクリフ
194021日間
21 Daysラリー
レベッカ
Rebeccaマクシム・ド・ウィンター
高慢と偏見
Pride and Prejudice ダーシー
1941美女ありき
That Hamilton Womanホレーショ・ネルソン
潜水艦轟沈す
49th Parallelジョニー
1944ヘンリィ五世
Henry Vヘンリー五世製作・監督・出演
1948ハムレット
Hamletハムレット監督・製作・脚本・出演
1952黄昏
Carrieジョージ・ハーストウッド
1953三文オペラ
The Beggar's Operaマクヒース製作・出演
1955リチャード三世
Richard IIIリチャード三世製作・監督・出演
1957王子と踊子
The Prince and the Showgirlチャールズ大公製作・監督・出演
1959悪魔の弟子
The Devil's Disciple ジョン・バーゴイン
1960寄席芸人
The Entertainerアーチー
スパルタカス
Spartacusマルクス・リキニウス・クラッスス
1962可愛い妖精
Term of Trialグラハム・ウィアー
1965バニー・レークは行方不明
Bunny Lake Is Missingニューハウス
オセロ
Othelloオセロー
1966カーツーム
Khartoumマフディー
栄光の座
The Shoes of the Fishermanカメネフ
1969素晴らしき戦争
Oh! What a Lovely Warジョン・フレンチ卿
空軍大戦略
Battle of Britainサー＝ヒュー・ダウディング大将（空軍最高司令官）
さすらいの旅路