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Owen Wilson est né le 18 novembre 1968 à Dallas. Il est le fils de la photographe américaine Laura Wilson.
Il fut un adolescent tumultueux. Mais, désireux de poursuivre ses études malgré son indéniable attirance pour la comédie, il obtient en 1988 un diplôme de littérature anglaise.
C'est au cours de ses études qu'il rencontre le futur réalisateur Wes Anderson, avec qui il sympathise et à qui il écrit un court-métrage. Présenté au Festival de Sundance, ce court-métrage séduit immédiatement la profession. James L. Brooks leur propose d'en faire un long-métrage, qui deviendra Bottle Rocket (1996). Anderson est le réalisateur et scénariste du film, Wilson, l'acteur principal et le co-scénariste. Le tandem Anderson / Wilson travaillera de nouveau ensemble sur les comédies Rushmore, La Famille Tenenbaum, La Vie aquatique et A bord du Darjeeling Limited.
Il multiplie ensuite les rôles dans des blockbusters américains comme Anaconda, Armageddon, Hantise et En territoire ennemi où, pour ce dernier film, il a le rôle principal.
Mais c'est grâce à son ami Ben Stiller que sa carrière de comédien est réellement lancée. Ils travaillent ensemble sur des comédies à succès comme Disjoncté (1996), Mon beau-père et moi et ses suites, Zoolander et Starsky et Hutch, où le duo incarne les deux célèbres flics dans l'adaptation de la série télévisée. Il participe également aux films Shanghai Kid et sa suite, avec Jackie Chan, et Espion et demi, avec Eddie Murphy.
En 2005, il s'invite, avec son ami (Vince Vaughn), aux mariages d'inconnus pour faire les 400 coups dans Serial noceurs, qui est l'un de ses plus gros succès personnels, engrangeant près de 200 millions de dollars aux États-Unis.
En 2006, il prête sa voix au personnage de Lightning McQueen dans le film d'animation Cars, puis il devient le copain envahissant de Matt Dillon dans Toi et moi... et Dupree, devient la figurine vivante - la nuit - d'un cow-boy dans La Nuit au musée et sa suite, avec Ben Stiller, et le garde du corps maladroit dans Drillbit Taylor (2008). Owen Wilson appartient au cercle restreint des grands comiques américains.
Il est hospitalisé le 26 août 2007 au Cedars-Sinai Medical Center de Los Angeles. Aucun motif officiel n'a été donné concernant cette hospitalisation, cependant plusieurs rumeurs ont fait état d'une tentative de suicide. Dans un communiqué diffusé le 27 août par son agent sur le site TMZ.com consacré aux célébrités, Owen Wilson déclare : « Je demande respectueusement aux médias de me laisser recevoir des soins et guérir en privé pendant cette période difficile ».
Owen aurait dû jouer dans Tonnerre sous les tropiques avec Ben Stiller, Jack Black et Robert Downey Jr. mais empêché car il fut hospitalisé. Il fut remplacé par Matthew McConaughey.
Une fois rétabli, il tourne Marley et moi, adapation du best-seller de John Grogan, où il donne la réplique à Jennifer Aniston, suivi de la suite de La Nuit au musée, reprenant ainsi son personnage de Jebediah.
Dans la famille Wilson, les trois frères font du cinéma : Owen, Luke et Andrew. Ils se sont tous les trois réunis devant la caméra de Wes Anderson dans Bottle Rocket et Rushmore.
Il fait partie du Frat Pack, regroupant les acteurs comiques hollywoodiens du moment, comme Ben Stiller, Will Ferrell, Vince Vaughn, Jack Black, Steve Carell et son frère Luke Wilson.