Родилась 15 (28) сентября 1916 года в Киеве в дворянской семье.
В 1933 году окончила Московское хореографическое училище, дебютировала в Большом театре в балете «Тщетная предосторожность». Обладая искромётной техникой, филигранной точностью движений, живым темпераментом, с успехом танцевала как классические — Китри в «Дон Кихоте» Л. Ф. Минкуса, Аврору в «Спящей красавице» П. И. Чайковского, Одетту и Одилию в «Лебедином озере» того же автора, — так и современные партии: Тао Хоа в «Красном маке» Р. М. Глиэра, Жанна в «Пламени Парижа» Б. В. Асафьева и др. В годы войны выступала на фронте со специально подготовленными программами. В 1943 году на сцене Большого театра состоялась премьера балета «Алые паруса», поставленного по одноименной повести А. С. Грина. Исполнительницей главной партии Ассоль была О. В. Лепешинская. С этим балетом труппа гастролировала по освобождённым городам.
После войны Ольга Васильевна много гастролировала по городам СССР и за рубежом. Среди её партнёров были А. Н. Ермолаев, А. М. Мессерер, П. А. Гусев и другие выдающиеся танцовщики. В 1959 году она станцевала в первом в истории фильме-балете «Граф Нулин».
После завершения карьеры в 1963 году Лепешинская занималась преподаванием как в СССР, так и за границей: в Риме, Будапеште, Мюнхене, Берлине и многих других городах, участвовала в жюри международных конкурсов артистов балета, с 1991 года возглавляла Российскую хореографическую ассоциацию.
Три брака. Первый муж — кинорежиссёр И. З. Трауберг (развелись незадолго до начала Великой Отечественной войны). Второй муж — генерал-лейтенант МГБ СССР Л. Ф. Райхман (арестован в 1951 году, после освобождения к жене не вернулся). Третий муж — генерал армии А. И. Антонов, умер в 1962 году.
Детей не имела; по собственному признанию балерины, «ради балета не родила ребенка», о чём впоследствии сожалела.
После смерти прославленной балерины группа сотрудников Центрального дома работников искусств обратилась в Генеральную прокуратуру России с просьбой проверить обстоятельства, связанные с передачей гражданам в наследство имущества балерины Ольги Лепешинской. В связи с этим прокуратуре Москвы было поручено провести проверку в соответствии с законом".