Oliver Mommsen besuchte die Schauspielschule Maria Körber in Berlin. Es folgte eine intensive Zusammenarbeit mit dem Regisseur Stefan Bachmann und der Gruppe „Theater Affekt“, aus der sich unter anderem Engagements für die Zürcher Festspiele, das Schauspielhaus Wien und die Volksbühne (Prater) in Berlin ergaben. Im Januar 2010 feierte das Stück GUT GEGEN NORDWIND mit Oliver Mommsen in einer der beiden Hauptrollen mit großem Erfolg seine Premiere in der Komödie am Kurfürstendamm.



Seit 1996 ist Oliver Mommsen zunehmend in Hauptrollen im Fernsehen zu sehen. Seine erste Hauptrolle in einem Kinofilm spielte er 2001 als einen traumatisierten Ex-Soldaten, der sich in seine Nachbarin verliebt, in dem Liebesdrama „Junimond“ mit Laura Tonke. Ebenfalls seit 2001 ermittelt er im Bremer „Tatort“ als Kommissar Nils Stedefreund an der Seite von Sabine Postel. Für diese Rolle im Tatort „Scheherazade“ wurde er beim „Deutschen Fernsehkrimi-Preis 2006“ als bester Nebendarsteller ausgezeichnet. 


2006 spielte Oliver Mommsen in der ARD-Serie „Das Beste aus meinem Leben“ die Hauptrolle als Zeitungsjournalist Max Miller nach der Kolumne im Magazin der Süddeutschen Zeitung des Autors Axel Hacke. 
In dem SAT.1-Film „Männer sind Schweine“, der vor kurzem abgedreht wurde, übernahm Oliver Mommsen die Hauptrolle. Für das ARD-Jugenddrama „Sie hat es verdient“ stand er u. a. neben Veronica Ferres und Jule Ronstedt als Vater, der seine Tochter missbraucht, vor der Kamera.