Après des études à l'école nationale supérieure des arts et techniques du théâtre à Paris (ENSATT), elle entame une carrière d'actrice en 1999. Elle fait ses débuts au cinéma dans un court métrage, avant de faire partie de la distribution du téléfilm *Voleurs de vies* en 2001.
La première grande exposition médiatique de Laurence Ostolaza a lieu en 2003, grâce à son rôle dans le film *Les Choristes*, dirigé par Christophe Barratier. Elle interprète le personnage d'Hélène, la mère de Clément, un enfant sourd qui découvre sa voix grâce au chœur scolaire. Le film connaît un grand succès critique et commercial, permettant à Laurence Ostolaza de se faire connaitre du grand public.
Par la suite, elle continue sa carrière dans des films et téléfilms, notamment *La Petite Jérusalem*, *Les Témoins*, *Le Village*, et *Mortel en toute raison*. Elle joue également au théâtre, notamment aux côtés d'Elsa Zylberstein dans *L'Échange* de Yasmina Reza.
En 2013, Laurence Ostolaza obtient un rôle important dans la série télévisée *Les Revenants*, qui connaît un grand succès critique et public. Elle incarne la mère de deux des enfants revenus après leur disparition. La série est adaptée en 2015 par AMC sous le titre *The Returned*.
En 2018, elle fait partie de la distribution du film *Les Filles du port*, qui connaît un grand succès à la sortie en salles. Elle incarne une mère célibataire qui doit se réconcilier avec son fils après avoir refusé de l'accompagner lorsqu'il était enfant.
En 2019, elle participe au téléfilm *L'Amour flou*, dans lequel elle joue le personnage principal. Le téléfilm connaît un bon accueil critique.
Laurence Ostolaza est également active dans des projets caritatifs. Elle soutient notamment l'association "Les Enfants de Don Quichotte", qui travaille pour les enfants défavorisés en Amérique latine.