Niels Olsen blev uddannet fra Statens Teaterskole i 1987. Årene efter var han mest kendt som satire-skuespiller i tv's Den gode, den onde og den virk'li sjove samt TV-ansjosen. Fra midt i 1980'erne indledte han et samarbejde med kollegaen Thomas Mørk i duoen i forestillingen Cirkus Montebello. Siden fik Niels Olsen engagement ved Aalborg Teater og blev ansat på flere københavnske teatre. Olsen har medvirket i Cirkusrevyen i 1993-1996, 1998-2000, hvor han også instruerede den, samt i 2012-2013. Allerede efter sin første medvirken i 1993 blev han kåret som Årets Dirch ved Revyernes Revy. I 2014 modtog han Årets Æreskunstner ved samme prisuddeling. Siden 1994 har han været en fast del af komikerkvartetten Ørkenens Sønner sammen med Søren Pilmark, Henrik Koefoed og Asger Reher. Han overtog Flemming Enevolds plads, der havde været med i det allerførste show i 1991, og Olsen spiller bl.a. logens stortalende meester logen Khamel Ull-Zuut. I 1997 modtog han Teaterflisen som den første modtager efter en landsdækkende folkeafstemning. I 1998 udgav den danske popgruppe tv·2 nummeret "Der går min klasselærer", hvor han spillede den omtalte klasselærer i den tilhørende musikvideo. Derudover udgør han 1/5 af holdet bag den improviserende teatergruppe, som har lavet Så hatten passer, Hatten Rundt og Hatten I Skyggen. Det er også de fem, der har lavet Andersens julehemmelighed. I 2014 og igen i 2016 medvirkede Olsen i revyen Tam Tam i Glassalen; Olsen har også skrevet flere tekster til forestillinger. Ud over sit arbejde med de komiske roller har han også spillet i filmene Det store flip og Susanne Biers Den eneste ene, som blev hans kunstneriske gennembrud: 1 mio. danskere så filmen og hørte "Niller" tale om køkkener. Han modtog i 2000 en Robert for bedste mandlige hovedrolle. I 2005 stod han på scenen i Forum som "Niller" igen i Den Eneste Ene – The Musical, der fik en Reumert for Årets Bedste Musical. Han har også medvirket til ny-indspilningerne af Far til fire-filmene samt anden generation af Min søsters børn optaget fra 2001-2004, hvoraf den først fik Robert for årets børne- og familiefilm i 2002. Han har medvirket i flere tv-serier heriblandt Rejseholdet, Krøniken samt julekalenderne Andersens julehemmelighed og Alletiders jul og Nissernes Ø. I år 2013 spillede Niels Olsen sin anden musical ved navn Shrek The Musical, hvor han spiller hovedrollen Shrek. Olsen modtog 20.000 kr fra Georg Philipps Fond i 2017. I 2018 annoncerede Susanne Bier, at hun havde fået Olsen til at spille med i en musicaludgave af hendes film Den skaldede frisør. Olsen skal spille den ene hovedrolle, Philip, som oprindeligt blev spillet af Pierce Brosnan. Musicalen får premiere i 2020.  Privat Siden 1992 har Niels Olsen været gift med skuespillerinden Joy-Maria Frederiksen. Sammen har de datteren Rosa (f. år 2000).