Она появилась на свет в городе Бугуруслане Оренбургской области в многодетной семье. Ранние годы будущей актрисы прошли в маленьком домике неподалёку от церкви, где служил священником её дед. Отец девочки работал учителем физики в местной школе, мать была домохозяйкой и всё время уделяла заботе о трёх дочках и сыне. Именно она однажды привела Олю в местный театр на спектакль с участием своей подруги — с тех пор у юной Остроумовой появилась мечта стать актрисой...
Когда Ольга сообщила семье о своём желании поступать в столичный театральный вуз, отговаривать её никто не стал: родители благословили дочь, напекли ей пирожков в дорогу и купили билет до Москвы. Первое время девушке пришлось непросто в большом городе: здесь она была совершенно одна и обратиться за помощью было не к кому. Абитуриентка Остроумова даже с трудом отыскала здание ГИТИСа и чуть не опоздала на вступительные экзамены, но всё обошлось: Ольга хоть и предстала перед комиссией самой последней, смогла очаровать педагогов и получила заветное место в общежитии.
Ещё студенткой Ольге Остроумовой посчастливилось сыграть первую красавицу класса в школьной драме Станислава Ростоцкого «Доживём до понедельника». Сотрудничество режиссёра и актрисы на этом не закончилось: спустя несколько лет Остроумова предстала в образе Жени Комельковой в военной ленте «…А зори здесь тихие», благодаря которой стала знаменита не только на родине, но и за рубежом. Сама же актриса особенно ценила свою работу в фильме «Василий и Василиса», где она перевоплотилась в мать семерых детей с трагической судьбой.
После выхода этого фильма на экраны Ольгу Остроумову пригласили в труппу Театра имени Моссовета, где режиссёр Генриетта Яновская подготовила для неё главную роль в спектакле «Вдовий пароход». Прежде Остроумова уже успела сменить несколько театров, но в новом коллективе ей поначалу пришлось непросто: здесь она столкнулась с завистью и скандалами, но со временем смогла убедить всех окружающих в силе своего таланта. На эту сцену актриса выходит уже сорок лет, сыграв яркие роли в ведущих постановках — «Мадам Бовари», «Белая гвардия», «Учитель танцев», «Вишневый сад», «Серебряный век».
В личной жизни Ольги Остроумовой было немало поворотов. Впервые она вышла замуж за однокурсника Бориса Аннабердыева, но студенческий брак оказался недолговечным. Впоследствии Борис обосновался в Ашхабаде и стал режиссёром-документалистом на куиностудии «Туркменфильм». Ольга же вышла замуж во второй раз за театрального режиссёра и писателя Михаила Левитина в браке с которым на свет появились дочь и сын. Супруги назвали детей своими именами: дочь Ольга пошла по стопам матери и стала актрисой, сын Михаил, как и отец, посвятил себя режиссуре. Остроумова и Левитин прожили вместе двадцать лет, но в конце концов актриса устала от постоянных измен мужа и подала на развод.
Ещё на съёмках «Гаража» Остроумова познакомилась с Валентином Гафтом — опытный актёр играл председателя правления, а Ольге досталась роль профессорской дочки. Актриса очень смущалась в компании именитых партнёров по площадке и старалась держаться в стороне, но Гафт уже тогда заприметил красавицу и про себя подумал: «На таких нужно сразу жениться!». Однако оба на тот момент не были свободны. Они разошлись по своим делам, чтобы вновь встретиться спустя пятнадцать лет.
В середине 90-х Остроумовой предложили принять участие в корпоративе в кафе «Фиалка» — она долго отказывалась, но когда узнала, что на мероприятии будет Валентин Гафт, то передумала. Оба уже успели развестись, и после праздника Гафт пригласил давнюю знакомую на прогулку. Так завязались их отношения, а вскоре Валентин Иосифович неожиданно пропал на три месяца. Оказалось, все это время актёр мучился в раздумьях — что в нём нашла такая красавица? К счастью, рядом были надёжные друзья, которые подсказали: «Валя, хватит валять дурака, нельзя упускать такую женщину!». После этого Гафт отбросил все сомнения. Свадьбу сыграли в больнице: у актёра были проблемы со здоровьем, и приглашать гостей пришлось прямо в палату.
Ольга Остроумова стала надёжной опорой для мужа, которого преследовали болезни — она ухаживала за любимым до последних дней, своей заботой продлевая ему жизнь. После смерти третьего супруга актриса всё внимание стала уделять детям и внукам, которых у неё уже трое — Полина, Захар и Фаина. Сегодня Ольга Остроумова много времени проводит в загородном доме, гуляет на природе, читает мемуары и слушает классическую музыку. А недавно состоялась премьера нового фильма «Номинация» с участием актрисы, в котором она снялась после трёхлетнего перерыва.