Олеся Владимировна Железняк появилась на свет 11 ноября 1974 года в Москве, в семье, где театральные корни отсутствовали. Отец был грузчиком, а мать занималась швейным делом. У актрисы есть две сестры: Людмила, библиотекарь по образованию, играла ключевую роль в формировании у Олеси интереса к танцам и чтению.
Детство Олеси не было насыщено мечтами о сцене. Ее мать мечтала о поступлении дочери в Плехановский институт, и Олеся даже подала документы, но быстро осознала, что ей это неинтересно. Вместо этого она начала учиться в хореографической студии, а затем в театральной студии на Арбате, что окончательно вдохновило ее на поступление в ГИТИС.
С первой попытки поступить в институт не удалось, и Олеся оказалась в цирке в кордебалете, отправившись на гастроли в Японию. После возвращения она снова подала документы в ГИТИС и была зачислена на курс Марка Захарова.
В 2000 году, после окончания института, Олеся Железняк вошла в труппу театра Ленком. В кино актриса дебютировала в 2000 году, и ее первая работа в фильме Тиграна Кеосаяна "Ландыш серебристый" сразу принесла ей успех.
Одними из самых популярных актерских работ стали "Сваты", "8 первых свиданий", "Орлинская. Стрелы Нептуна" и прочие.
Личная жизнь актрисы также оказалась насыщенной. Еще в учебные годы во ВГИКе она встретила своего будущего мужа, Спартака Сумченко, с которым они поддерживали дружбу, а затем начался роман. Свадьба состоялась после получения ими дипломов.
Семейная радость дополнилась рождением четверых детей: сыновей Савелия, Прохора, Фомы и дочери Агафьи. Олеся утверждает, что совмещение материнства и карьеры для нее не вызывает трудностей благодаря правильному графику и поддержке мужа.
Железняк, несмотря на свой успех в театре, не отказывается от предложений в кино. В 2023 году она снялась в эпизодической роли в комедии "Поехавшая". Актриса утверждает, что ее фигура остается прекрасной даже после четырех беременностей, и в ее паспорте цифра не отражает ее настоящий возраст.
Слухи о пятой беременности, распространявшиеся в последние годы, не находят подтверждения.