İstanbul göçmeni bir ailenin çocuğu olarak 6 Mart 1967 tarihinde Batı Almanya'nın Aşağı Saksonya eyaletinin Lastrup kentinde doğdu. Rize, Fındıklı kökenli olan babası bir Katolik hastanesinde cerrah olarak çalışmaktaydı. Babasının çalıştığı hastanede hasta bakıcı rahibelere hayranlık duyan Türeci, çok kültürlü bir ortamda büyüdü. Bir röportajında kendisini 'Prusya Türkü' olarak tanımlamıştır.
Türeci, lisans eğitimini Saarland Üniversitesi'nde tamamladı. 2001 yılında Mainz kentine taşındı. Mainz üniversitesi Hastanesi'nde modifiye edilmiş genetik kodlarla bağışıklık sistemini kansere karşı mücadele ettirmeyi hedefleyen çalışmalar yaptı. Çalışmalarını, Uğur Şahin ile birlikte 2001 yılında kurdukları ve Türkçe 'ganimet' kelimesinden esinlenerek 'Ganymed' adını verdikleri firmada sürdürdü. Kendisi gibi Türkiye göçmeni olan meslektaşı Uğur Şahin ile 2002'de evlendi. Çift, bağışıklık sisteminin, kanserli hücreleri vücuda giren bir virüs gibi algılaması ve onları ortadan kaldırması için birlikte çalışmayı sürdürdü.
Kansere karşı hassas antikor tedavilerine öncülük eden Ganymed 2016'da Japon ilaç şirketi Astellas'a satıldı. Şirketi 420 milyon euroya satışları o tarihe kadar Almanya'da tıp sektöründeki yüksek meblağlı satış oldu. Bu satış Özlem Türeci-Uğur Şahin çiftini Almanya'daki en zenginler arasına soktu.
Türeci 2008 yılında eşi Uğur Şahin ve Avusturyalı immünolog, onkolog Christoph Huber ile birlikte BioNTech adlı firmayı kurdu. 2018 yılında şirketin baş tıbbi sorumlusu oldu. 2020 yılı itibarıyla 1300 çalışanı olanı şirket, başlangıçta immünoterapi kanser tedavileri üzerine çalışmalar yaptı. 2020'de COVID-19 pandemisinin ortaya çıkmasıyla şirket bir koronavirüs aşısı bulmaya yöneldi. Özlem Türeci, SARS-CoV-2'ye karşı geliştirilmek istenen aşı çalışmalarında öncü bir rol oynadı. Aşının geliştirilmesi konusunda BioNTech ile iş birliği yapan ABD ilaç şirketi Pfizer 9 Kasım 2020'de yaptığı açıklamada, üretilen COVID-19 aşısı (BNT162)'nın %90 başarı elde ettiğini duyurmuştur.