La carrière d'Owen Wilson débute lorsqu'il rencontre Wes Anderson à l'université. Les deux hommes sympathisent et écrivent un court métrage qui, présenté à Sundance, séduit immédiatement la profession dont James L. Brooks, qui leur propose d'en faire un long. Bottle rocket (1996) voit ainsi le jour, Anderson réalisant et scénarisant, Wilson co-scénarisant et jouant. Les deux hommes reprendront la même formule de travail sur les comédies Rushmore (1998) et La Famille Tenenbaum (2001).Lorsqu'il emménage à Hollywood en compagnie de ses frères Luke et Andrew, eux aussi comédiens, Owen Wilson commence par tenir quelques rôles secondaires sur d'importants projets tels Disjoncté (1996), Anaconda (1997) ou Armageddon (1998).Après avoir joué dans le film fantastique Hantise, Owen Wilson voit sa carrière d'acteur prendre un bel essor. En 2000, son association avec Jackie Chan dans Shanghai kid est un grand succès public. Spécialisé dans la comédie, il fait équipe avec Eddie Murphy dans Espion et demi, mais est surtout connu pour ses prestations aux côtés de son ami Ben Stiller, que cela soit dans Mon beau-père et moi, Zoolander ou Starsky et Hutch, adaptation de la célèbre série télévisée dans laquelle il incarne le policier Hutch.Fidèle à Wes Anderson, Owen Wilson le retrouve en 2003 pour La Vie aquatique. Et s'il privilégie la comédie, Wilson peut aussi aborder un registre plus dramatique, en témoigne le film de guerre En territoire ennemi (2001) dont il tient le rôle principal.
Vince Vaughn, quant à lui, l'emmène faire les 400 coups dans les mariages de Serial noceurs en 2005. En 2006, Owen Wilson fait ses débuts dans l'animation et prête sa voix au personnage de Lightning McQueen dans Cars de John Lasseter. Copain envahissant de Matt Dillon dans Toi et moi... et Duprée (2006) et garde du corps maladroit dans Drillbit Taylor (2008), Owen Wilson appartient au cercle restreint des grand comiques américains. Une carrière florissante que vient compromettre une tentative de suicide en août 2007. Hospitalisé, l'acteur est contraint d'abandonner le tournage de Tonnerre sous les Tropiques, une comédie de Ben Stiller au générique de laquelle il devait apparaître.
2009 est, une fois de plus, placé sous le signe de l'humour pour le comédien. Dans le film Marley & moi, adaptation du best-seller de John Grogan, il donne la réplique à Jennifer Aniston. Puis il se glisse à nouveau dans le costume de Jedidiah, pour les besoins d'une seconde nuit au musée, entouré entre autres de Ben Stiller. Il retrouve ses amis en 2010, Wes Anderson d'abord en jouant un petit rôle dans Fantastic Mr. Fox puis Ben Stiller qu'il réaccompagne dans Mon beau-père et nous, troisième volet de la série.
Son année 2011 est très fournie puisqu'il y charme Reese Witherspoon dans la comédie romantique Comment savoir, tente de tromper sa femme (avec son accord) grâce au Bon à Tirer que lui accordent les frères Farrelly, se pose les questions de Woody Allen dans Minuit à Paris et redevient le bolide Flash McQueen pour Cars 2.
Après une année loin des sirènes d'Hollywood, l'acteur revient discrètement avec un second rôle dans le film oscarisé The Grand Budapest Hotel, puis tient de nouveau la vedette dans la comédie Les Stagiaires, l'occasion de retrouver son compère Vince Vaughn. Il rejoint ensuite le casting choral de Broadway Therapy dans lequel il incarne Arnold Albertson, un personnage que l'on croirait sorti d'un film de Woody Allen. Ayant participé aux deux premiers volets, c'est tout naturellement qu'Owen Wilson signe pour La Nuit au musée : Le Secret des Pharaons. Le comédien enchaîne rapidement avec Inherent Vice en 2015, un drame de Paul Thomas Anderson on peut plus différent et décalé où il donne la réplique à Joaquin Phoenix. Un peu plus tard la même année, Owen "prouve" qu'il en a dans la caboche grâce à la comédie déjantée Les Cerveaux.
Contre toute attente, l'acteur décide de prendre un virage dans sa carrière et se montre là où on ne l'attend pas, à savoir dans un film d'action intitulé No Escape. C'est face à l'ancien James Bond Pierce Brosnan qu'il tente de faire ses preuves. En 2016, il s'associe pour la douzième fois au fidèle Ben Stiller dans Zoolander 2, suite du film culte de son acolyte. L'humour potache dont il est l'un des fers de lance est dûment célébré dans Les Cerveaux, aux côtés de Zach Galifianakis et Kristen Wiig. Si l'acteur se fait plus rare, on le retrouve au casting du troisième volet de Cars, avant de jouer le père de Jacob Tremblay dans le déchirant Wonder, aux côtés de Julia Roberts.
