Parallèlement à ses études, la jeune Odile Versois entre à l'Opéra de Paris comme petit rat.
Odile Versois débute au cinéma à dix-sept ansans dans Dernières vacances (Roger Leenhart, 1947). Sa prestation de jeune fille pleine de gaieté et de légèreté confrontée à la bienséance est saluée par la critique. En 1949, elle se retrouve associée à ses soeurs Marina Vlady et Olga Baïder dans Orage d'été (Jean Gehret). Appelée plus souvent sur les planches de théâtre qu'au cinéma, Odile Versois tourne cependant dans une trentaine de films dont Toi le venin (1958) de Robert Hossein, A cause d'une femme (1962) et Benjamin (1967) de Michel Deville. En 1977, elle apparaît une dernière fois à l'écran dans Le Crabe-Tambour de Pierre Schoendoerffer.
Au théâtre, Odile Versois interprète notamment La Petite Hutte d'André Roussin, La Répétition d'Anouilh, Les Trois Soeurs et Domino. En collaboration avec ses trois soeurs, elle écrit la biographie de sa famille, Babouchka.
Ella a tournée dans de nombreuses séries télévisées notamment : Just Fontanes, magistrat, Les Enquêtes du commissaire Maigret, Le Train bleu s'arrête 13 fois, ou encore Pas de frontières pour l'inspecteur, Richelieu.
En 1948, elle obtient le Prix Suzanne Bianchetti (équivalent du César du meilleur espoir féminin) pour Dernières vacances.
1947 | Désordre | Jacques Baratier |
1955 | Une répétition manquée | Pierre Neurrisse |
1960 | Estoril y sus fiestas | Vicente Minaya, Juan Manuel de la Chica |
1965 | Pharmacienne (La) | Serge Hanin, Jany Holt |
1947 | Dernières vacances (Les) | Roger Leenhardt |
1948 | Fantômas contre Fantômas | Robert Vernay |
1949 | Orage d'été | Jean Gehret |
1949 | Paolo e Francesca | Raffaello Matarazzo |
1949 | Sposa non puo attendere (La) [Anselme est pressé] = [La Mariée ne peut attendre] | Gianni Franciolini |
1950 | Anciens de Saint-Loup (Les) | Georges Lampin |
1950 | Bel amour | François Campaux |
1950 | Into the Blue | Herbert Wilcox |
1950 | Mademoiselle Josette, ma femme | André Berthomieu |
1951 | Domenica | Maurice Cloche |
1952 | Crimes de l'amour : Mina de Vanghel (Les) | Maurice Clavel, Maurice Barry |
1952 | Grand gala | François Campaux |
1953 | A Day to Remember | Ralph Thomas |
1954 | To Paris with Love A Paris tous les deux | Robert Hamer |
1954 | Young Lovers (The) Evasion | Anthony Asquith |
1955 | Insoumises (Les) | René Gaveau |
1956 | Checkpoint A tombeau ouvert | Ralph Thomas |
1956 | Herrscher ohne Krone Pour l'amour d'une reine | Harald Braun |
1958 | Passport to Shame Passeport pour la honte | Alvin Rakoff |
1958 | Toi, le venin | Robert Hossein |
1959 | Dragée haute (La) | Jean Kerchner |
1960 | Trésor des hommes bleus (Le) | Edmond Agabra |
1961 | Cartouche | Philippe de Broca |
1961 | Rendez-vous (Le) | Jean Delannoy |
1962 | A cause, à cause d'une femme | Michel Deville |
1962 | Transit à Saïgon | Jean Leduc |
1964 | Dernier tiercé | Richard Pottier |
1967 | Benjamin ou Les Mémoires d'un puceau | Michel Deville |
1971 | Eglantine | Jean-Claude Brialy |
1977 | Crabe-tambour (Le) | Pierre Schoendoerffer |