Олів'є Тілль у дорослому футболі дебютував 2013 року виступами за команду клубу «Родінген 91», в якій провів два сезони, взявши участь у 51 матчі другого дивізіону Люксембургу. Більшість часу був основним гравцем команди.

Влітку 2015 року перейшов до клубу «Прогрес», з вищого дивізіону, за який дебютував 7 липня в матчі першого відбіркового раунду Ліги Європи проти ірландського «Шемрок Роверс», вийшовши на заміну на 77-й хвилині замість свого брата Себастьяна. У 3-му кваліфікаційному раунді Ліги Європи 2018/19 «Прогрес» поступився «Уфі», втім російський клуб помітив футболіста і 29 серпня 2018 року Тілль підписав з «Уфою» чотирирічний контракт, ставши таким чином першим люксембуржцем в чемпіонаті Росії (РПЛ). У матчі з «Уралом» 27 жовтня віддав свою першу гольову передачу, а перший гол за уфимців забив 9 грудня в гостьовому матчі проти «Краснодара» (1:1). 17 жовтня 2020 року його контракт з «Уфою» було розірвано за взаємною згодою. За цей час футболіст провів 56 матчів у складі команди, забив 1 гол і зробив 5 результативних передач, а також провів 3 гри за «Уфу-молодіжну» в яких забив 2 голи і зробив 1 результативну передачу.

30 грудня 2020 року підписав дворічний контракт з полтавською «Ворсклою».

Виступи за збірні

Протягом 2016–2017 років залучався до складу молодіжної збірної Люксембургу. На молодіжному рівні зіграв у 7 офіційних матчах.

31 серпня 2017 року дебютував в офіційних матчах у складі національної збірної Люксембургу, відігравши весь матч проти збірної Білорусі (1:0) в рамках відбіркового турніру чемпіонату світу 2018 року.