Старшая дочь генерал-адмирала, великого князя Константина Николаевича и Александры Иосифовны. Родная сестра известного русского поэта великого князя Константина Константиновича Романова (К. Р.). Племянница Александра II. Внучка императора Николая I. Бабка герцогини Кентской и Филиппа Эдинбургского (супруга Елизаветы II).
Супруга короля Греции Георга I, сына Кристиана IX и Луизы Гессен-Кассель, брата Фредерика VIII, Александры, Марии Фёдоровны, Тиры, Вальдемара.
Венчание короля Греции Георга I с великой княжной состоялось в Санкт-Петербурге 15 октября/27 октября 1867 года. Брак, укрепивший дипломатические отношения Греции и России и сблизивший два царствующих дома, — одна из удач российской дипломатии. Укрепление русских позиций в этом важном Средиземноморском регионе, тем более в преддверии угрозы военного конфликта с Турцией, было чрезвычайно важным.
Королева занималась благотворительностью, основала в Пирее, в котором находилась база российского флота, военно-морской госпиталь. Она также открыла медицинские курсы для женщин и сама посещала их. С начала Первой мировой войны приехала в Россию, работала в госпиталях, помогая раненым. От своего отца Ольга унаследовала любовь к русскому флоту, которую сохранила на всю жизнь.
В разгар войны балканских стран с Турцией, начавшейся в 1912 году, король Георг I пал жертвой террористического акта. После его гибели королева Ольга Константиновна, пребывая до революции в России, жила в том числе и в Константиновском Дворце (Стрельна), резиденции Константиновичей (ныне — Дворец Конгрессов).
Скончалась в 1926 г. Первоначально тело было захоронено в крипте православной церкви Рождества Христова и Николая Чудотворца во Флоренции (Греческий Королевский Дом использовал одно из помещений крипты в качестве усыпальницы для монархов-изгнанников). В 1936 году, после восстановления монархии в Греции, состоялось перезахоронение останков королевы Ольги в Татое — усадьбе греческих королей в окрестностях Афин.