Ольга Олеговна Ломоносова родилась в Донецке.

С четырёх лет занималась бальными танцами, а с пяти — художественной гимнастикой. Позже к спортивной школе добавилась обычная. Оля справлялась со всеми нагрузками и при этом отлично училась.
А в 1986 году семья переехала в Киев, и девочку, определили в Школу олимпийского резерва Ирины Дерюгиной. Подъём в шесть утра, постоянные тренировки, строгий режим, а за любое непослушание наказание в виде 200 «двойных прыжков» со скакалкой. Возможно, из неё и получилась бы настоящая гимнастка, — если бы не случай. Каждое лето семья отдыхала в Мисхоре, и там кто-то посоветовал отдать Олю в балетное училище.
Мама, с детства мечтавшая стать балериной, с удовольствием последовала совету, и в 10 лет Оля Ломоносова поступила в Киевское государственное хореографическое училище. С тех пор своё будущее она связывала исключительно со сценой: на 4-м курсе отправила видеокассету с записью своего выступления директору Штутгартского балета, и её пригласили в Германию. Гарантировали оплату учёбы в Штутгартской школе хореографии и место в труппе после окончания школы.
Когда к поездке уже всё было готово, Ольга поехала в Москву в гости к своим знакомым — артистам «Сатирикона». Столица встретила её яркими огнями, весёлыми актёрскими посиделками, притягательным шумом театрального закулисья. Друзья почти каждый день репетировали «Трёхгрошовую оперу», которую ставил Владимир Машков. Харизматичный и талантливый молодой режиссёр не мог не привлечь внимания. Оля влюбилась и даже хотела бросить учёбу , а когда роман закончился, желание ехать в Германию пропало.
Окончив училише, девушка приехала в Москву и поступила в кордебалет Музыкального театра имени Станиславского и Немировича-Данченко. Для поступления похудела на несколько килограммов, но вскоре вновь набрала вес, и её перестали выпускать на сцену. Начался один из самых тяжёлых периодов в Олиной жизни. Она впала в депрессию и даже хотела всё бросить и вернуться домой. Но бойцовский характер взял верх и вскоре удача улыбнулась — её приняли в труппу Имперского балета Гедиминаса Таранды и предложили партию в «Руслане и Людмиле».
И вновь в её жизнь вмешался случай. На гастролях во Франции, перед выступлением в Каннах, когда артисты катались на санях в горах, Ольгины сани перевернулись, и она рухнула спиной на лёд. Долгое время вообще не могла ходить и понимала, что с балетом надо завязывать.
По совету подруги подала документы в Щукинское училище и легко сдала вступительные экзамены. Сначала одолевали сомнения: её ли это поприще. Но уже к концу первого курса поняла, что учиться ей нравится. На третьем курсе она уже играла Корделию в «Короле Лире» в театре Вахтангова. Правда, ради роли пришлось обриться наголо, но с ролью Ольга справилась более чем успешно. А после третьего курса её пригласили сниматься в полнометражной картине «Смерть Таирова». Ольга была счастлива: в неё поверили.
В 2003 году Ломоносову приняли в труппу театра Вахтангова, а с 2004 года актриса параллельно играла и в театре Станиславского.
Звёздным для Ольги Ломоносовй стал сериал «Не родись красивой», в котором ей удалось создать глубокий образ героини, сделать её такой живой и привлекательной, что все телезрители влюбились в неё. Сериал принёс популярность, предложения сниматься поступали всё чаще.
Она никогда не была обделена мужским вниманием. Правда, первый брак оказался неудачным. Евгений Ряшенцев был старше на два года. Его отец Юрий Ряшенцев — знаменитый поэт, написавший песни для «Гардемаринов» и «Мушкетеров», мама — литературный редактор на «Мосфильме». Познакомились они с Женей во время очередной шумной вечеринки в общежитии Щукинского училища. Несколько месяцев спустя поженились, а через полтора года развелись. Вероятно, оба были не готовы к семейной жизни.
С Дмитрием Ульяновым они сначала просто дружили и беседовали лишь на темы профессии, но отношения развивались стремительно, и они даже думали о браке и детях, но потом всё неожиданно закончилось.
С Александром Самойленко Ольга сблизилась на съёмках сериала «Кобра. Антитеррор». Он заваливал её букетами, дарил украшения, водил по ресторанам. У него был свой ресторанный бизнес, и он мог себе позволить даже звезду с неба достать для своей возлюбленной. Роман длился два года, пока на горизонте актрисы не появился театральный режиссёр Павел Сафонов.
Они были знакомы ещё с училища. Она была студенткой, а он ставил в училище спектакли. Придя на их курс, Павел сразу же выбрал Ольгу на главную роль в дипломный спектакль «Месяц в деревне». Спектакль в институте приняли на ура, аплодировали стоя. Тогда у них ещё не было никаких отношений. Но жизнь сама привела их друг к другу. Во время съёмок сериала «Не родись красивой» все знали, что её сердце несвободно, но имя избранника она держала в секрете.
Тайна раскрылась, когда на одну из вечеринок она пришла в сопровождении Павла. И все сразу заговорили, что они просто созданы друг для друга. Даже их судьбы в чём-то схожи: она — бывшая балерина, нашедшая себя в актёрстве; он — бывший актёр, которого Москва знает как талантливого театрального режиссёра.
Их дочери — старшая Варвара и младшая Александра — с рождения много времени проводили за кулисами. В перерывах между актами она прибегала, чтобы покормить их, и снова убегала на сцену. Её жизнь — сплошной калейдоскоп: дети, репетиции, спектакли. Часто совсем не хватает времени, но муж всегда ей помогает. С детьми Павел может заниматься целый день, чтобы Ольге дать возможность выспаться. Она даже на пробы успевает ездить.
Наверное, нужно было пройти через многочисленные романы, неудачный брак, чтобы понять: Павел — мужчина всей её жизни.
Красивая, целеустремленная, самостоятельная, талантливая. Жизнь её можно сравнить со слаломом, насыщенным крутыми поворотами. Она столько раз начинала всё сначала, с чистого листа. А уж на нём, как показывает время, можно написать всё что угодно: вместо Киева — Москву, вместо балета — театр, и даже к лишним килограммам можно подрисовать минус.