102-krotny reprezentant Danii karierę trenerską rozpoczął w 1990 roku. Prowadził Broendby Kopenhaga, 1.FC Koeln i Ajax Amsterdam, a w 2000 roku zastąpił na stanowisku selekcjonera Bo Johanssona, który doprowadził czerwono-białych do ćwierćfinału MŚ 1998 Pod wodzą Mortena Olsena Duńczycy awansowali do MŚ 2002 i 2010 oraz Euro 2004 i 2012, ale równocześnie czterokrotnie nie zdołali przebrnąć przez eliminacje.
Olsen nieraz po niepowodzeniach nosił się z zamiarem opuszczenia posady. W marcu 2008 roku jego miejsce miał zająć Michael Laudrup, ale ostatecznie do zmiany selekcjonera nie doszło. Kiedy Duńczycy nie awansowali do brazylijskiego mundialu, temat rezygnacji trenera znów się pojawił. Ostatecznie Olsen został na stanowisku i oznajmił, że chciałby odejść po Euro 2016.
W przyszłym roku do Francji ani reprezentanci Danii, ani Olsen się nie wybiorą. Christian Eriksen i spółka w barażowym dwumeczu nie sprostali Szwecji, a selekcjoner doszedł do przekonania, że nadszedł czas, by powiedzieć "dość". - Jest mi przykro przede wszystkim dlatego, że zawodnicy nie pojadą na mistrzostwa. Jako trener za to odpowiadam. Potrzebny jest nowy selekcjoner, który wykorzysta potencjał drużyny. Mamy dobre perspektywy - oświadczył.
Największe osiągnięcie duńskiej kadry prowadzonej przez Olsena to awans do ćwierćfinału Euro 2004.
