Ольга Остроумова родилась в городе Бугуруслан Оренбургской области в семье учителя физики и домохозяйки.

Ольга Михайловна задумалась о карьере артистки, когда ей было всего десять. К этой идее ее подтолкнул просмотр спектакля, в котором играла подруга матери.

В 1966 году девушка поступила в ГИТИС. После выпуска из учебного заведения Остроумову приняли в столичный ТЮЗ. Однако по ряду обстоятельств она не ограничилась только одной сценой: Театр на Малой Бронной, Театр миниатюр, Театр имени Моссовета, театр «Эрмитаж» на какое-то время становились домом для Ольги Михайловны. За спиной у актрисы большое количество ролей в спектаклях, например, она играла в «Здравствуйте, господин де Мопассан», «Мадам Бовари», «Белая гвардия», «Учитель танцев», «Вишневый сад» и других.

На экране Ольга Остроумова впервые появилась в роли школьницы в фильме «Доживем до понедельника», который стал частью золотого фонда советского кинематографа. Наиболее успешной картиной с участием актрисы считается «…А зори здесь тихие», где она сыграла роль Жени Комельковой. Среди других заметных лент можно отметить: «Василий и Василиса», «Любовь земная», «Судьба» и «Гараж».

Ольга Остроумова была замужем трижды. Первый супруг Борис Аннабердыев был однокурсником актрисы. Однако этот брак просуществовал всего три года.

В 1973-м Остроумова вышла замуж во второй раз. Избранником артистки стал режиссер и писатель Михаил Левитин. У пары родились двое детей: дочь Ольга и сын Михаил. Супруги прожили вместе 20 лет, но в итоге разошлись.

Третий муж Ольги Остроумовой — Валентин Гафт. Он был на 12 лет старше и заметил будущую жену еще на съемках фильма «Гараж», хотя расписались они спустя много лет, в 1996 году. Они прожили долгую совместную жизнь, однако в конце 2020-го артистка овдовела.