Em 1913, Olympio da Fonseca matriculou-se curso de Aplicação do Instituto Oswaldo Cruz, onde teve a oportunidade de conviver com mestres como Carlos Chagas, Adolpho Lutz e Arthur Neiva.

Sua formação pela Faculdade de Medicina do Rio de Janeiro ocorreu em 1915 , ano que foi laureado com o prêmio Gunning (História Natural Médica). Entre 1917 e 1932 ministrou aulas nos cursos de protozoologia e micologia do IOC.

Entre os cargos ocupados, Olympio foi diretor de campo da Fundação Rockfeller (inspeção preliminar de estudos sobre infestação por helmintos no Rio de Janeiro), em 1916/17; foi assistente e adjunto de assistente do Instituto Oswaldo Cruz (1917/23); inspetor da Comissão Sanitária Federal (febre amarela), na Bahia, em 1920; colaborou na organização e foi ainda chefe da Secção de Micologia entre 1923/31; chefe de laboratório do IOC, entre 1931 e 1932; e professor de Botânica do curso pré-médico da Faculdade de Medicina da Universidade do Rio de Janeiro.

A partir de 1937 foi professor catedrático de Parasitologia dessa faculdade; fundador da revista Sciencia Medica, redator chefe da Revista Médico-Cirurgica do Brasil, colaborou na fundação da Sociedade Brasileira de Biologia, entre outras atividades.