С 1998 года занималась лыжными гонками, а в июне 2004 года по совету тренера решила перейти в биатлон, которым занимается под руководством Иванова Валерия Владимировича.
Чемпионат мира по биатлону среди юниоров 2006 в американском Преск-Айле стал для Ольги Вилухиной первым в её карьере. В индивидуальной гонке она заняла лишь 28 место, в остальных же завоевала полный комплект медалей. В спринте Ольга выиграла золото, в преследовании — бронзу, а в эстафете вместе с подругами по команде — серебро. Чемпионат мира годом позже в Мартеле стал для спортсменки не таким успешным. Она снова выиграла серебро в эстафете, а вот лучшим личным результатом стало 9-ое место в гонке преследования. На Чемпионате Европы в Банско успеха Ольга смогла добиться только в эстафете, выиграв золотую медаль, в личных же дисциплинах не смогла подняться на подиум, показав седьмое время в индивидуальной гонке и спринте и шестое в преследовании. На двух последующих чемпионатах она также смогла добиться успеха только в эстафетах : серебро в Кэнморе и золото в Нове-Место. Самым успешным для Ольги стал Чемпионат в Уфе, где она стала четырёхкратной и абсолютной чемпионкой Европы среди юниоров, выиграв золотые медали во всех четырёх дисциплинах — спринте, преследовании, индивидуальной и эстафетной гонках. Это абсолютный рекорд чемпионатов Европы, которые проводятся с 1994 года. До Вилухиной никому из молодых спортсменок еще не удавалось выиграть столько наград в течение одного континентального чемпионата.
Успехи Ольги Вилухиной заставили наставников национальной команды обратить внимание на юное дарование, и Ольга получила от них приглашение выступить на этапе Кубка мира в Ханты-Мансийске. 27 марта 2009 года она дебютировала в спринтерской гонке. И дебют удался. Показав в спринте шестое время среди всех спортсменок и лучшее среди российских, Ольга попала в «цветочную церемонию».
По завершении сезона 2008—2009 она была включена в состав национальной команды для централизованной подготовки.
К сезону 2009—2010 Ольга впервые готовилась с главной командой. На сборе в Оберхофе состояние здоровья спортсменки внезапно ухудшилось. После тренировок в горах поднялся очень высокий уровень гемоглобина — а он у Оли и так высокий от природы — и на фоне жары стала сворачиваться кровь. Ей становилось все хуже, температура поднималась до 40 градусов. На что только не проверяли — и на заражение крови, и на псевдотуберкулез… Но точный диагноз так и не установили. Процесс выздоровления протекал довольно непросто. Сразу после возвращения из Оберхофа Оля провела две недели в больнице, прошла полный курс лечения. В итоге состояние здоровья удалось нормализовать, а вот форму Ольга растеряла и по результатам контрольных тренировок не смогла отобраться на этапы Кубка мира, и тренерский штаб принял решение делегировать её на Кубок IBU.
Дважды Оля становилась второй в спринте в Идре (Швеция) и в Риднау-валь Риданна (Италия). А на этапе Кубка IBU в австрийском Обертиллахе со спортсменкой произошёл курьёзный случай, из-за которого она упустила если не победу, то подиум наверняка. На старте спринтерской гонки ей пришлось задержаться из-за отсутствия стартовых номеров на ногах — Оля просто забыла их наклеить. Пока массажист бегал за номерами, прошло секунд 45-50. Став по результатам гонки в итоге восьмой, она проиграла победителю всего 42 секунды. Участие в Кубке IBU для Оли закончилось в немецком Альтенберге, где биатлонистка в спринте стала 17-ой. От дальнейшего участия в гонках Кубка IBU Ольга была вынуждена отказаться, так как врачи диагностировали сильный отит.
В Кубке IBU 2009—2010 Ольга Вилухина с 254 очками заняла итоговое 14 место.
Результаты выступлений в Кубке IBU в сезоне 2009/2010
После выздоровления Ольга приняла участие в Первенстве России. Выиграв индивидуальную гонку в Уфе, спортсменка выполнила критерии отбора на Чемпионат Европы. Но там Ольге удалось принять участие только в двух гонках — в индивидуальной гонке она показала 15 время, а в составе эстафетной четвёрки стала бронзовым призёром. После эстафеты у неё обострилась травма плеча, и старший тренер сборной России по резерву Валерий Польховский принял решение не заявлять её на спринт и преследование, так как тренеры основной национальной команды рассчитывали на ее участие в мартовских этапах Кубка мира. Но принять участие в них спортсменке не удалось. Она была вынуждена досрочно завершить сезон — её опять в который уже раз в сезоне 2009—2010 подвело здоровье — Ольга была госпитализирована с высокой температурой. По окончании сезона вошла в список кандидатов в сборную команду России по биатлону для централизованной подготовки в основном составе.
В Хохфильцене 2011 Вилухина дебютировала в составе смешанно-эстафетной команды и победила. На следующем этапе в Оберхофе 4 января 2012 года впервые была замыкающей в женской эстафетной команде — с тем же итогом.
13 января 2012 на этапе в Нове-Место-на-Мораве Вилухина установила личный рекорд: 5 итоговое место в спринте.
4 марта 2012 на чемпионате мира в Рупольдинге Вилухина впервые в карьере поднялась на подиум, заняв 3 место в гонке преследования.