Olynyk spielte von 2009 bis 2013 für die "Gonzaga Bulldogs", die Mannschaft der Gonzaga University, wo er mit dem deutschen Nationalspieler Elias Harris zusammenspielte. Die Saison 2011/12 setzte Olynyk komplett aus, kehrte aber in der folgenden Spielzeit als einer der besten Spieler der NCAA Division I zurück. Er wurde zum Spieler des Jahres der "West Coast Conference" sowie ins "Consensus All-America First Team" und das "Academic All-America First Team" gewählt. Während seiner Collegezeit nahm Olynyk außerdem mit der kanadischen Nationalmannschaft an der Weltmeisterschaft 2010 und der Amerikameisterschaft 2011 teil.