De son vrai nom Étiennette de Poliakoff, Odile Versois, ses parents émigrent de Russie après la Révolution de 1917, se réfugient en France. Son père Vladimir de Poliakoff est chanteur d'opéra, et sa mère Militza Envald, danseuse étoile.
Odile Versois est très tôt intéressée par le théâtre et le cinéma. Elle tourne son premier film à 18 ans avec le réalisateur Roger Leenhardt, immédiatement subjugué par sa beauté. Elle entraîne sa jeune sœur Catherine dans le monde du spectacle, et tourne avec elle le film Orage d'été réalisé par Jean Gehret.