Dès ses premiers courts métrages, Chambre froide (2000) et Dans l'ombre (2004), Olivier Masset-Depasse filme des personnages féminins déterminés et prêts à tout pour atteindre leurs buts. Ces deux courts métrages récoltent une soixantaine de prix dans les festivals du monde entier.
Son deuxième long métrage, Illégal, un drame social sur fond d’immigration clandestine, reçoit le prix SACD à la 42e Quinzaine des réalisateurs de Cannes et est nominé aux César en 2011.
En 2014, il tourne un téléfilm pour CANAL+, Sanctuaire, un film historique qui récolte deux FIPA d’or au festival de Biarritz.
En 2019, Duelles, un thriller psychologique, est montré en présentation spéciale au TIFF et remporte un grand succès aux États-Unis. Il s’attaque ensuite au film d’action en réalisant le troisième volet de Largo Winch, sorti en 2024.