En 1963 ya comenzó a actuar en cine al que arribó con su aureola de misterio, su estampa atlética y su rara fuerza interior bajo un rostro adolescente.

Bajo la dirección de Andrzej Wajda interpretó el papel del también actor polaco Zbigniew Cybulski – protagonista del filme Cenizas y diamantes, basada en la novela homónima de Jerzy Andrzejewski - que había muerto en un accidente, en la película que narra la historia del mismo.

Otras actuaciones a destacar se produjeron en el filme El tambor de hojalata, película de Volker Schlöndorff basada en el libro homónimo del ganador del Premio Nobel de Literatura 1999, el alemán Günter Grass, y también su pequeño papel en La insoportable levedad del ser.

Olbrychski es conocido por su habilidad para cabalgar y en el manejo del sable, y protagoniza personalmente la mayoría de las escenas de acción que correspondan a su papel.

De su pareja Monika Dzienisiewicz-Olbrychska nació el actor Rafal Olbrychski, y ha tenido otro hijo con la actriz alemana Barbara Sukowa.