Родилась в 1953 г. в городе Углеуральске Пермской области. Выпускница филологического факультета УрГУ (1976). Работала учителем в средней школе, затем преподавателем, заведующей кафедрой русского языка и методики его преподавания в начальной школе Свердловского государственного педагогического института. С 1989 г. работает в Уральском государственном университете, с 1997 г. заведует кафедрой риторики и стилистики русского языка.
Ученица профессора Э. В. Кузнецовой. Принадлежит к Уральской лексикологической школе. Область научных интересов – семантика лексических и синтаксических единиц языка. Кандидатская диссертация (1985) посвящена лексическому значению русского глагола. В 1998 г. защитила докторскую диссертацию «Ограничения в лексической семантике русского слова». О. А. Михайловой опубликовано более 60 научных работ в области семантики, лексикологии, лексикографии, стилистики русского языка.
Активно занимается научно-методической работой, являясь одним из разработчиков программы по русскому языку и культуре речи для студентов нефилологических специальностей. О. А. Михайлова – один из авторов учебных пособий «Коммуникативный русский язык», «Шаги к искусной речи».