Родилась 21 сентября 1947 года в Бугуруслане (Оренбургская область) в интеллигентной семье. Окончив школу в родном городе, Ольга Остроумова в 1966 году поехала поступать в театральный ВУЗ столицы. Её выбор пал на ГИТИС, студенткой которого она стала без особых проблем благодаря природному таланту. После окончания учёбы в 1970 году актриса была принята в труппу Московского Театра юного зрителя, на сцене которого сыграла в спектаклях «Мещане», «Тень», «Поздняя любовь». С 1973 по 1983 играла в Театре на Малой Бронной в спектаклях «Своей дорогой», «Веранда в лесу», «Волки и овцы» и других. В 1983 году актриса перешла в Театр имени Моссовета.
Кинематографическая карьера началась для Ольги Остроумовой ещё до момента окончания ГИТИСа. В 1968 году актриса дебютировала в популярной мелодраме Станислава Ростоцкого «Доживём до понедельника». В 1970-ом была приглашена на роль в картине «Город первой любви», а год спустя сыграла в фильме «Море в огне». Уже известная в Советском Союзе Ольга Остроумова в 1972 году получила одну из главных ролей в военной драме «А зори здесь тихие» режиссёра Ростоцкого. Именно после выхода этой картины, ставшей культовой в СССР, Ольга стала знаменитой.
В 1976 году ей досталась главная женская роль в отечественной экранизации романа Джека Лондона «Мартин Иден». В 1977 году актриса сыграла сразу в трёх картинах. А в 1979 году на экраны вышла трагикомедия Эльдара Рязанова «Гараж», где вновь появилась Ольга Остроумова.
Одной из важнейших работ для актрисы стала главная роль в кинопритче «Василий и Василиса», снятой в 1981 году.
Всего в репертуаре Ольги Остроумовой уже более 40 ролей. В двухтысячных актриса снималась реже, в основном в сериалах или в эпизодических ролях. Тем не менее, в 2008 году на экранах появился фильм «Адмиралъ», в съёмках которого наряду с другими актёрами принимала участие и Ольга Остроумова.
