Olds a commencé sa carrière académique à l'Université de Californie à Los Angeles où il a obtenu son doctorat en psychobiologie. En 1973, il rejoint le Caltech pour travailler avec John O. Ng, un neurobiologiste reconnu.
Olds est surtout connu pour ses expériences d'implantation d'électrodes dans les cerveaux de rats et de souris. Ces électrodes étaient utilisées pour stimuler différentes parties du cerveau, ce qui pouvait entrainer des réactions extrêmement fortes chez l'animal, telles que des convulsions ou des comportements sexuels.
En 1954, Olds a été impliqué dans une controverse lorsqu'il a découvert qu'un stimulus électrique appliqué à un certain endroit du cerveau de souris pouvait provoquer des réactions extrêmement fortes et même une sorte de satisfaction chez l'animal. Cette découverte a été interprétée par certains comme une preuve que le plaisir était localisé dans un certain endroit du cerveau. Cependant, Olds a affirmé qu'il ne pouvait pas dire si ce stimulus provoquait une sensation de plaisir chez l'animal ou si ce n'était simplement une réaction à un stimulus externe.
Olds a également travaillé sur la théorie du cerveau limbique, qui est une théorie qui explique comment les différentes parties du cerveau peuvent interagir pour créer des comportements complexes. Sa recherche a contribué à l'élaboration de notre compréhension actuelle de la façon dont le cerveau contrôle nos émotions et nos comportements.
Malgré sa contribution importante à la science, Olds est mort relativement méconnu du grand public. Sa découverte sur les réactions extrêmement fortes chez les animaux lorsque leurs cerveaux étaient stimulés a été souvent interprétée de manière exagérée et a parfois même donné lieu à des théories conspirationnistes sur l'utilisation de ces méthodes pour contrôler les individus. Cependant, Olds a toujours affirmé que sa recherche n'avait aucune application pratique et ne pouvait pas être utilisée pour contrôler les humains.