В 1954 году поступила на математико-механический факультет Ленинградского государственного университета, в котором проработала впоследствии всю жизнь. В 1963 году защитила в ЛГУ кандидатскую диссертацию (по физико-математическим наукам) (научный руководитель — Н. Н. Воробьёв). Докторскую диссертацию (д.ф.-м.н.) защитила в 1984 году в МГУ.
С октября 1959 по апрель 1972 года работала младшим научным сотрудником, затем доцентом (в области исследования операций), а потом — старшим научным сотрудником математико-механического факультета ЛГУ. С июня 1972 по июль 1984 год — старший научный сотрудник экономического факультета ЛГУ, с июля 1984 по март 1989 года — старший научный сотрудник Института физики, а с октября 1989 (до смерти) — ведущий научный сотрудник математико-механического факультета ЛГУ.
Была замужем за Львом Бондаревым. В браке воспитывали двух сыновей — Максима (род. 1966) и Григория (род. 1974).
Погибла в результате автомобильной аварии.
О.Н.Бондарева опубликовала более 70 научных работ по теории игр и математике. Входила в редколлегию международного журнала «Games and Economic Behavior». Международное признание получили её работы по кооперативной теории игр.