Мать — Мария Тимофеевна Берггольц (1884—1957, похоронена на Шуваловском кладбище в Петербурге), отец — Фёдор Христофорович Берггольц, врач-хирург (фамилия латышская, по деду со стороны отца), младшая сестра — Мария (Похоронена на Литераторских мостках Волковского кладбища). Детские годы прошли на окраине Невской заставы. С 1918 по 1920 годы вместе с семьёй жила в Угличе в бывших кельях Богоявленского монастыря. Росла и училась в трудовой школе, которую окончила в 1926 году.
Первое стихотворение поэтессы «Пионерам» было напечатано в газете «Ленинские искры» в 1925 году, первый рассказ «Заколдованная тропинка» — в журнале «Красный галстук». В 1925 году пришла в литературное объединение рабочей молодежи — «Смена», где встретила поэта Бориса Корнилова (первого мужа), с которым позднее училась на Высших курсах при Институте истории искусств. Здесь преподавали такие учителя, как Тынянов, Эйхенбаум, Шкловский, выступали Багрицкий, Маяковский, И. Уткин.
Поступила на филологический факультет Ленинградского университета. Преддипломную практику проходила во Владикавказе летом 1930 года, в газете «Власть труда». Освещала строительство ряда народнохозяйственных объектов, в частности, Гизельдонской ГЭС. Позже, в 1939 году она написала об этом периоде своей биографии стихотворение «Дорога в горы»:
Окончив в 1930 году университет, уезжает в Казахстан, работая корреспондентом газеты «Советская степь», о чём рассказала в книге «Глубинка» (1932). Вернувшись в Ленинград, работала редактором в газете завода «Электросила» (1931—1934). В 1933—1935 годах выходят книги: очерки «Годы штурма», сборник рассказов «Ночь в Новом мире», сборник «Стихотворения», с которых начинается поэтическая известность Берггольц.
13 декабря 1938 года была арестована по обвинению «в связи с врагами народа» и как участник контрреволюционного заговора, в заключении после побоев разрешилась мертворождённым ребенком (обе её дочери умерли прежде). 3 июля 1939 года была освобождена и полностью реабилитирована; вскоре после освобождения вспоминала «Вынули душу, копались в ней вонючими пальцами, плевали в неё, гадили, потом сунули обратно и говорят: живи!». Первый муж — Борис Корнилов — был расстрелян 21 февраля 1938 года в Ленинграде.
В 1940 году вступила в ВКП(б).
В годы Великой Отечественной войны, оставаясь в осажденном Ленинграде, работала на радио, почти ежедневно обращаясь к мужеству жителей города. Её второй муж, литературовед Н. Молчанов, умер от голода. Отец, Фёдор Берггольц, за отказ стать осведомителем в марте 1942 года был выслан из блокадного Ленинграда органами НКВД в Минусинск (Красноярский край). В это время Берггольц создала свои лучшие поэмы, посвящённые защитникам Ленинграда: «Февральский дневник» (1942), «Ленинградскую поэму». После войны на гранитной стеле Пискаревского мемориального кладбища, где покоятся 470 000 ленинградцев, умерших во время Ленинградской блокады и в боях при защите города, были высечены именно её слова:
После войны выходит книга «Говорит Ленинград» о работе на радио во время войны. Написала пьесу «Они жили в Ленинграде», поставленную в театре А. Таирова. В 1952 году — цикл стихов о Сталинграде. После командировки в освобождённый Севастополь создала трагедию «Верность» (1954). Новой ступенью в творчестве Берггольц явилась прозаическая книга «Дневные звезды» (1959), позволяющая понять и почувствовать «биографию века», судьбу поколения.
В дни прощания с И. В. Сталиным в газете «Правда» были опубликованы следующие строки поэтессы:
При этом в стихах не для печати Берггольц так отозвалась о смерти Сталина:
В середине 1950 — начале 1960-х несколько стихотворений Берггольц были распространены в самиздате. В 1960-е вышли её поэтические сборники: «Узел», «Испытание», в 1970-е — «Верность», «Память».
Умерла Ольга Берггольц в Ленинграде 13 ноября 1975 года. Похоронена на Литераторских мостках Волковского кладбища. Памятник на могиле поэтессы появился только в 2005 году.
Дневники, которые поэтесса вела много лет, при её жизни не были опубликованы. После смерти Ольги Берггольц её архив был конфискован властями и помещен в спецхран. Фрагменты дневников и некоторые стихотворения появились в 1980 году в израильском журнале «Время и мы». Большинство не публиковавшегося в России наследия Берггольц вошло в 3-й том собрания её сочинений (1990).
1932—1943 годы — дом-коммуна инженеров и писателей — улица Рубинштейна, 7, кв. 30.
Последние годы жизни — дом № 20 на набережной Чёрной речки.
Именем Ольги Берггольц названа улица в Невском районе Санкт-Петербурга. Также именем Ольги Берггольц названа улица в центре Углича. На улице Рубинштейна, 7, где она жила, открыта мемориальная доска. Ещё один бронзовый барельеф её памяти установлен при входе в Дом радио.
Во дворе Филологического факультета Санкт-Петербургского государственного университета Ольге Берггольц установлен памятник. Памятник Ольге Берггольц также установлен во дворе Ленинградского областного колледжа культуры и искусств на Гороховой, 57-а: где в годы Великой Отечественной войны был госпиталь.
В 1994 году Ольге Берггольц присвоено звание «Почетный гражданин Санкт-Петербурга».
К 100-летию со дня рождения поэтессы, в 2010 году, петербургский театр «Балтийский дом» поставил спектакль «Ольга. Запретный дневник» (режиссёр Игорь Коняев, в главной роли Эра Зиганшина).