Ольга Ломоносова родилась в Донецке, в семье строителя. Мать Ольги, Наталья Евгеньевна Ломоносова, — экономист. К 1986 вместе с семьёй Ольга переехала в Киев, куда перевели её отца. Ещё в Донецке Ольга начала заниматься гимнастикой. Тренеры отмечали у неё отличную гибкость. В Киеве её приняли в школу олимпийского резерва Альбины Дерюгиной. Там она стала кандидатом в мастера спорта. Мать Ольги всегда мечтала о профессии балерины, но реализовать это желание сумела только дочь. В 1988 Ольга поступила в Киевское хореографическое училище.
В Москву Ольга уехала в 1997 году. Здесь она работала в Музыкальном театре им. К.С. Станиславского и Вл.И. Немировича-Данченко артисткой балета. В 2003 году поступила в ВТУ им. Щукина на курс Родиона Овчинникова. Вопреки опасениям девушки, вступительные экзамены она сдала легко, даже миновав второй тур. Служила в Театре им. К.С. Станиславского (2004-2006 гг.) и Театре им. Евг. Вахтангова (2003-2005 гг.).
Сегодня Ольга Ломоносова официально стала москвичкой, живёт в Москве, замужем за известным режиссёром Павлом Сафоновым. В декабре 2006 года у Ольги и её мужа Павла Сафонова родилась дочь Варвара, 25 мая 2011 г. Ольга родила вторую дочку, которую назвали Александрой. В настоящее время снимается в фильмах, играет в Другом Театре.
Театр им. Е. Вахтангова:
Театр им. К.С. Станиславского:
Антрепризный спектакль агентства "Премьера". Проект "Театральный марафон":
Другой Театр: