Olsen fullførte sine medisinstudier i 1888 og arbeidet deretter i noen år som praktiserende lege i Kristiania. Fra 1887 til 1890 var han leder for det fysiologiske laboratoriet ved bryggeriet Ringnes & Co. i Oslo, hvor han innførte bruken av renkultur av gjær i ølbryggingen i Norge. I 1893 leverte han sin filosofiske doktoravhandling «Om sop paa levende jordbund», hvor han presenterte sin teori om å klassifisere sopper utenom planter og dyr, under et tredje biologiske rike. Denne teorien ble også presentert i en artikkel i i 1897.