Олеся Владимировна Железняк родилась 11 ноября 1974 года в Москве в семье грузчика Владимира и швеи Лидии, которые переехали в столицу с Украины. Детские годы будущей актрисы были связаны не только с Москвой: летние каникулы она часто проводила у родственников в Днепропетровской области. В семье росли три дочери — Людмила, Оксана и младшая Олеся.
Путь к актёрской профессии оказался не прямым: по настоянию матери Олеся сначала попыталась поступить в Плехановский институт на экономиста, но не прошла по конкурсу. Тогда она за компанию с подругой пошла учиться на хореографическое отделение училища культуры, где провела два с половиной года. Поворотный момент наступил, когда Железняк поступила в Российскую академию театрального искусства на курс Марка Захарова — учёбу она завершила в 1999 году. Сразу после выпуска молодую актрису приняли в труппу Московского театра имени Ленинского комсомола («Ленком»). Ещё во время учёбы она дебютировала на сцене театра в спектакле «Варвар и еретик», играя рядом с такими звёздами, как Инна Чурикова, Леонид Броневой, Александр Абдулов и Александра Захарова.
Прорыв в кино произошёл стремительно: в 2000 году Олеся получила главную роль в комедийной мелодраме Тиграна Кеосаяна «Ландыш серебристый». Её героиня Зоя Мисочкина — провинциальная девушка, которая встречает двух московских продюсеров и начинает путь к славе певицы. Партнёрами по съёмочной площадке стали Юрий Стоянов и Александр Цекало. Фильм принёс актрисе широкую известность и открыл дорогу в большое кино.
В дальнейшем Железняк появилась в ряде популярных проектов. Среди них — сериал «Моя прекрасная няня», где она сыграла Галю Копылову, подругу главной героини в исполнении Анастасии Заворотнюк, а также картина «Любовь в большом городе». Помимо съёмок в кино и сериалах, актриса проявила себя на телевидении: в 2007 году она стала ведущей проекта телеканала НТВ «Ты — суперстар!», а в 2008‑м приняла участие в шоу «Ледниковый период‑2» в паре с фигуристом Максимом Марининым.
Ещё одна грань таланта Олеси — дубляж. В 2015 году её голосом заговорила Печаль в русском дубляже анимационного фильма «Головоломка».
На театральной сцене Железняк продолжает служить в «Ленкоме», где участвовала в таких спектаклях, как «Юнона и Авось», «Шут Балакирев», «Жестокие игры» и других. В 2021 году за роль Голды в «Поминальной молитве» актриса была удостоена престижной премии «Хрустальная турандот» в номинации «Лучшая женская роль». Годом ранее, в 2020‑м, ей было присвоено звание Заслуженной артистки Российской Федерации.
В личной жизни Олеся Железняк также нашла своё счастье. С 2000 года она замужем за актёром Спартаком Сумченко (родился в 1973 году). У пары четверо детей: Савелий (родился 12 августа 2003 года), Агафья (6 ноября 2006 года), Прохор (7 ноября 2010 года) и Фома (8 ноября 2013 года). Актриса признаётся, что успешно совмещает материнство и карьеру — секрет, по её словам, в грамотно организованном графике и поддержке мужа. Олеся предпочитает воспитывать детей самостоятельно, без помощи нянь. При этом семья живёт скромно, не стремится к роскоши и даже выплачивает ипотеку за квартиру.
Олеся Железняк продолжает активно работать в театре «Ленком» и сниматься в кино. В 2024 году с её участием вышли мини‑сериалы «Орлинская. Молния Зевса» и «Орлинская. Козни амура», а также фильм «Один хороший день». Её творческий путь остаётся насыщенным, а талант по‑прежнему востребован как в театре, так и на экране.