Ольга Ломоносова родилась в Донецке 18 мая 1978 года. Отец — строитель, мать, Наталья Евгеньевна Ломоносова — экономист.
В 1986 году семья Ольги переехала в Киев, куда по работе перевели отца. Ольга была принята в школу гимнастики олимпийского резерва Альбины Дерюгиной.
В 1993 году Ольга поступила в Киевское хореографическое училище. Занималась у педагога В. И. Сулегиной.
В 1998 году окончила хореографическое училище и была принята в труппу Музыкального театра Станиславского и Немировича-Данченко. Затем работала в группе Гедиминаса Таранды.
После травмы, которую она получила во время гастролей во Франции, решила сменить карьеру, и поступила в ВТУ им. Б. В. Щукина на курс Родиона Овчинникова. В 2003 году окончила Театральное училище.
Ольга Олеговна Ломоносова работает в театре имени Станиславского и театре имени Евгения Вахтангова.
Муж — театральный режиссёр Павел Сафонов. 9 декабря 2006 года в одном из московских роддомов родила дочь.
Фильмография:
- Косатка (2014) — Ольга Косаткина
- Чёрные кошки (2013) — Анна Антоновна, секретарша
- 45 секунд (2013) — Татьяна Чернигова (главная роль)
- Три дня с придурком (2013) — дама в чёрном
- Маша (2012) — Маша (главная роль)
- Дежурный ангел — 2 (2012) — Евгения Костина
- Бабье царство (2012) — Оксана Никитина
- Объект 11 (2011) — Маргарита Трошина
- Назад — к счастью, или Кто найдёт Синюю птицу (2011) — Мария
- Зверобой-2 (2010) — Мария
- Дежурный ангел (2010) — Евгения Костина
- Военная разведка. Западный фронт (фильм 3. «Одиннадцатый цех») (2010) — Анна Эдуардовна
- Кузнецова, врач-невролог
- Осведомлённый источник в Москве (2010) — Дженифер Луи
- Случайная запись (2009)
- Разжатые пальцы (2009)
- Похищение Богини (2009)
- Непрощенные (2009)
- Зверобой (2009)
- Две истории о любви (2009)
- Чизкейк (2008) — Наташа
- Пять шагов по облакам (2008)
- Отдаленные последствия (2008) — Таня Виноградова
- Дважды в одну реку (2008) — Лена Болотова
- Ты мне снишься… (2007) — Ольга Николаевна
- Точка возврата (2007) — Шнырева
- Ночные сестры (2007) — Вера
- Любовь на острие ножа (2007) — Лариса
- Агентство Алиби (2007)
- Красная Комната (2006) — Катя
- 9 месяцев (2006) — Наташа
- Не родись красивой (сериал) (2005-2006) — Кира Воропаева
- Одна тень на двоих (2005) — Марта
- Большое зло и мелкие пакости. Детектив от Татьяны Устиновой (2005) — Зоя
- Богиня прайм-тайма (2005) — Алина Лаврова
- Смерть Таирова (2004)
- Новогодние мужчины (2004)
- Дети Арбата (сериал) (2004) — Люся
- Моя Пречистенка (2003) — Софи Куратова
- Кобра. Антитеррор (2001)