Il est connu pour ses rôles dans des films de grande envergure comme *La Ligne rouge* (2004), *Le Marcheur* (2005) et *Star Wars, épisode III : La Vengeance des Sith* (2005). Il a également collaboré avec Wes Anderson sur plusieurs de ses films, tels que *La Dernière Station* (2007), *Moonrise Kingdom* (2012) et *Le Grand Bain* (2018).
Wilson est né dans une famille d'acteurs. Son père, Robert Andrew Wilson, a été acteur et producteur de théâtre, tandis que sa mère, Laura Elizabeth Wilson (née Koppe), était une journaliste et écrivaine. Sa sœur, Luke Wilson, est également actrice et scénariste.
Owen Wilson a grandi à la maison familiale du quartier de Dallas, Preston Hollow, où il a fréquenté l'école secondaire Hillcrest High School. Il a étudié les arts libéraux à l'université de Tulane, où il a été membre de la fraternité Phi Kappa Psi.
Au début des années 1990, Owen Wilson a commencé sa carrière en écrivant des scénarios pour des films et en jouant des rôles secondaires dans des comédies et des dramatiques à petit budget. En 2000, il a connu le succès critique et commercial avec *Le Roi Scorpion*, réalisé par Chuck Russell.
En plus de son activité dans l'industrie cinématographique, Owen Wilson est également un partenaire minoritaire des équipes de basket-ball Dallas Mavericks de la National Basketball Association (NBA) et du Dallas Sidekicks de la Major Indoor Soccer League. Il est par ailleurs le créateur de deux marques de vêtements : "Wonderland" et "CUT".
En 2016, Owen Wilson a fait face à des difficultés personnelles lorsqu'il s'est suicidé en tentant de se faire soigner pour une dépression. Il a été hospitalisé et a reçu un traitement psychiatrique. Depuis cette expérience, il est devenu plus ouvert sur la question de la santé mentale et a participé à des événements destinés à sensibiliser les gens sur le sujet.