Antoine Olivier est ensuite apparu dans Laurence Anyways (Xavier Dolan) et a également obtenu le rôle principal de Janeau dans Les Pee-Wee 3D, l'hiver qui a changé la vie. Il joue ensuite dans le clip controversé du groupe Indochine, College Boy, réalisé par Xavier Dolan. Suite à cette collaboration, le jeune réalisateur offre à Antoine Olivier le rôle principal de son film Mommy qui obtient le Prix du Jury au Festival de Cannes en 2014. Pour cette performance, Antoine Olivier a remporté de nombreux prix dont un Satellite Award à Los Angeles, un Canadian Screen Award à Toronto et il a été nommé acteur le plus prometteur de 2014 par le magazine Elle France.
Dernièrement, il a remporté le prix du meilleur acteur pour son rôle dans 1:54 au Festival du film francophone d'Angoulême 2016, en France.
