Oliver Hans Mommsen wurde am 19. Januar 1969 in Düsseldorf geboren. Nach dem Abitur besuchte er das Berliner Schauspielstudio von Maria Körber. Anschließend stand er in einigen Inszenierungen der Berliner Off-Theatergruppe "Theater Affekt" auf der Bühne; daraus ergaben sich Auftritte unter anderem bei den Züricher Festspielen, am Wiener Schauspielhaus und an der Wiener Volksbühne im Prater.

Sein Debüt vor der Kamera gab Oliver Mommsen 1996 mit einer Gastrolle in der Serie "Gegen den Wind". Danach hatte er in dem TV-Drama "Die heilige Hure" (1997) eine wichtige Nebenrolle als Priesteranwärter, der seine Homosexualität verheimlicht. Von 1998 bis 2000 gehörte Mommsen als Arzt zum Kernteam der Serie "Fieber: Ärzte für das Leben".

Seine erste (kleinere) Kinorolle spielte er im Jahr 2001, im Ensemble von Gregor Schnitzlers "Was tun, wenn's brennt". Im gleichen Jahr wurde er als Kriminalhauptkommissar Nils Stedefreund einer der Ermittler des Bremer "Tatort" (an der Seite von Sabine Postel). 2002 hatte er in dem Kinofilm "Junimond" eine Hauptrolle als traumatisierter Ex-Soldat. Vermutlich auf Grund seiner erfolgreichen TV-Karriere spielte Mommsen danach nur noch in zwei Kinofilmen kleinere Rollen, Eoin Morres "Im Schwitzkasten" (2005) und Neele Leana Vollmars "Urlaub vom Leben" (2005).

Umso präsenter wurde er auf den Fernsehschirmen, mit Haupt- und Nebenrollen in zahlreichen Fernsehspielen und Serien – zusätzlich zu seinen regelmäßigen "Tatort"-Auftritten, bei denen er für die Folge "Scheherazade" (2005) den Deutschen Krimipreis als Bester Nebendarsteller erhielt. In der Serie "Das Beste aus meinem Leben" (2006-2007), nach Axel Hackes gleichnamiger "SZ-Magazin"-Kolumne, spielte er die Hauptrolle des Zeitungsjournalisten Max Miller. Im Bereich Fernsehfilm reicht Mommsens Bandbreite von Liebesgeschichten und Romantikkomödien bis zu Familien- und Sozialdramen. Zu seinen wichtigsten Filmen gehören hier die Weihnachtskomödie "Oh Tannenbaum" (2007) mit Günther Maria Halmer, die Liebesgeschichte "Woran dein Herz hängt" (2008) mit Julia Koschitz sowie zwei Arbeiten mit Autor und Regisseur Thomas Stiller: Das Sozialdrama "Genug ist nicht genug" (2009) und das Jugendgewalt-Drama "Sie hat es verdient" (2010). Im Jahr 2011 wurde Mommsen zudem das Werbegesicht in den Fernsehspots von Schöfferhofer Weizenbier.

Viel Kritikerlob erhielten auch das Jugenddrama "Komasaufen" (2013; Regie: Bodo Fürneisen) und Florian Baxmeyers Familiendrama "Stiller Abschied" (2013), in dem Mommsen den Sohn einer an Demenz erkrankten Seniorin (Christiane Hörbiger) verkörperte. Baxmeyer führte auch bei zahlreichen Bremer "Tatort"-Folgen Regie. Mit ihm drehte Mommsen auch das gelobte Mystery-Drama "Ohne Dich" (2014), über eine Frau (Stefanie Stappenbeck), deren Lebenspartner während eines Segeltrips spurlos verschwindet. Im selben Jahr war er in dem preisgekrönten Sozialdrama "Ein offener Käfig" als Bruder eines aus der Haft entlassenen Sexualstraftäters (Martin Feifel) zu sehen. Leichtere Kost waren die Komödie "Handwerker und andere Katastrophen" (2016) und die Trilogie "Eltern allein zu Haus" (2017).

Neben seiner umfangreichen Fernseharbeit wirkte (und wirkt) Oliver Mommsen immer wieder auch in Theaterinszenierungen mit. In der Komödie am Kurfürstendamm sah man ihn unter anderem in Neil LaButes "Fettes Schwein" (2012/2013) und in dem preisgekrönten Stück "Eine Sommernacht" (2013/2014). Am Berliner Schlossparktheater spielte er in "The King's Speech" (2014) den stotternden König Georg VI. Für seine Hauptrolle in "Lieber Schön" (2016; Komödie am Kurfürstendamm) war er für den Theaterpreis Goldener Vorhang nominiert.

Bei den Hofer Filmtagen feierte im Oktober 2016 "Die Haut der Anderen" Premiere, Mommsens erster Kinofilm seit elf Jahren. Die Regie führte Thomas Stiller, mit dem er bereits mehrere hoch gelobte Fernsehspiele gedreht hatte (siehe oben). In dem Beziehungsdrama spielt Mommsen einen erfolgreichen, aber pornosüchtigen Schriftsteller, der eine Beziehung mit einer Frau mit Todesfetisch beginnt. Der Film startete im April 2018 regulär in den Kinos.