Ольга Ломоносова родилась в украинском Донецке, в довольно обеспеченной по советским меркам семье. Ее отец возглавлял крупный строительный трест, мама работала экономистом. Когда Ольга ходила в детский сад, к ним в группу пришли специалисты их секции художественной гимнастики, и отметив гибкость и физические данные предложили маме отдать девочку на занятия.
Оля делала большие успехи в этом виде спорта, и когда отца перевели по службе в Киев, она попала в школу олимпийского резерва к Ирине Дерюгиной, прославленной украинской спортсменке, возглавляющей сборную "художниц" Украины. Все детство Ольги было посвящено спорту - после уроков сразу на отправлялась на многочасовые тренировки.
Именно этот серьезный 8-летний опыт закалил характер будущей актрисы. Через несколько лет она ушла из гимнастики и они с мамой поехали в Ленинград поступать в Ваганьковское училище в Ленинград. Но когда педагоги узнали, что девочка профессиональная спортсменка, ей отказали - там не долюбливали абитуриентов со спортивной подготовкой, а предпочитали готовить будущих балерин с нуля.
Зато она легко поступила в Киевское хореографическое училище, где была одной из лучших учениц. Вскоре девушку пригласили на стажировку в Германию. Перед поездкой она решила съездить в Москву, в гости к друзьям-актером из театра "Сатирикон", с которыми познакомилась в пансионате театральных деятелей в Мисхоре, где каждый год отдыхала с родителями.
Сидя в театре, она увидела на сцене Владимира Машкова и влюбилась с первого взгляда. Общаясь с актером, ей казалось что ее чувства взаимны, но как выяснилось, на тот момент у него уже был серьезный роман с другой. Тем не менее, эта влюбленность сыграла не последнюю роль в ее решении забыть о стажировке за границей и остаться в Москве.
Он пришла на просмотр в театр Немировича-Данченко, куда ее и приняли. Правда, ей лишь изредка давали станцевать совсем небольшие партии, к тому же начались проблемы с весом. Вращаясь в творческой среде, она постоянно сталкивалась с актерами и студентами театральных ВУЗов, и в какой-то момент решила поменять судьбу и стать актрисой. С первой попытки ее приняли в Щукинском училище.
По окончании была принята в театр имени Вахтангова, где вновь ей доставались лишь небольшие роли. Параллельно ходила по кастингам и ее одной из дебютных работ стала роль в успешном сериале начала 2000-х "Дети Арбата". Но ее звездный час наступил после выхода на экраны сериала "Не родись красивой", который собирал невероятные рейтинги.
Сегодня в фильмографии актрисы около 60 работ в самых разножанровых проектах. Счастье в личной жизни актриса обрела не сразу. Еще студенткой она познакомилась С Евгением Ряшенцевым, сыном известного советского поэта Юрия Ряшенцева. Уже скоро они поженились, но студенческий брак продержался совсем недолго.
Еще будучи замужем в первом браке, в "Щуке" она познакомилась с начинающим режиссером Павлом Сафоновым. Долгое время они просто общались по работе, и поначалу не проявляли друг к другу никакого романтического интереса. Но постепенно, узнавая друг друга все ближе, их служебные отношения перешли в бурный роман, несмотря на то, что у Павла на тот момент были отношения с другой девушкой. Они стали жить гражданским браком.
В 2006 году у них родилась дочь Варвара, следом Александра, а в 2017 году родился младший сын Федор. Сегодня востребованная актриса продолжает сниматься в очередном новом проекте, выходит на театральные подмостки, а со своим супругом счастлива в браке уже более 15 лет.
