Olivia Stahn studierte bei Marie-Louise Ages und Julie Kaufmann in Lübeck und Berlin und absolvierte die Lied-Klasse von Irwin Gage mit Auszeichnung.

Mit der Titelpartie in Hartmanns „Simplicius Simplicissimus“ gab sie ihr Bühnendebüt am Konzerthaus Berlin. Es folgten Engagements an der Staatsoper Hannover, am Staatstheater Stuttgart, bei den Dresdner Musikfestspielen, am Konzerthaus Berlin, beim Bachfest Leipzig, den Schwetzinger Festspielen, im Festspielhaus Hellerau, den Telemannfesttagen Magdeburg und im ZKM Karlsruhe. Mit der zum Theatertreffen eingeladenen Produktion »Via Intolleranza II« von Christoph Schlingensief gastierte sie bei den Wiener Festwochen, den Münchner Opernfestspielen, dem kunstenfestivaldesarts Brüssel und auf Kampnagel Hamburg.

Als regelmässiger Gast an der Staatsoper Unter den Linden Berlin verkörperte Olivia Stahn die weiblichen Hauptrollen in „Lezioni di Tenebra“ von Lucia Ronchetti und „Die Luft hier: scharfgeschliffen“ von Matthias Hermann (Regie: Hans-Werner Kroesinger), sang „La Douce“ von Emmanuel Nunes und die „Frau“ in „Sommertag“ von Nikolaus Brass. Sie wirkte außerdem in der Uraufführung von Salvatore Sciarrinos „Ti vedo, ti sento, mi perdo“ in der Regie von Jürgen Flimm und im „Monteverdi-Project“ der Choreographin Saar Magal mit.

Als Konzertsängerin trat Olivia Stahn mehrfach beim Lucerne Festival unter Pierre Boulez auf und arbeitete mit dem Ensemble Resonanz, Collegium Novum Zürich, Ensemble Avantgarde, Solistenensemble Kaleidoskop, Ensemble Adapter, Ensemble Unitedberlin, Meitar Ensemble, Trio Image und Ensemble Courage zusammen. Aufnahmen entstanden für Wergo, cpo und das Berliner Label CorinneDeBerne, dort erschien die Schallplatte »Bicinien«. Sie ist Gründungsmitglied und, neben Hanna Herfurtner und Amélie Saadia, künstlerische Leiterin des solistischen Vokalensembles THE PRESENT, mit dem sie bei u.a. bei den Schwetzinger SWR-Festspielen, den Bregenzer Festspielen und in Salzburg auftrat.