Ольга Михайловна Остроумова родилась 21 сентября 1947 года в городе Бугуруслане, Оренбургской области. В семье Остроумовых было несколько поколений священников.
В семье было четверо детей – три дочери и сын. После окончания школы Ольга решила поехать в Москву учиться на актрису и приехав в столицу в 1966 году поступила в ГИТИС. Одним из ее педагогов был известный театральный режиссер П. Хомский. После окончания учебы в 1970 году Хомский рекомендовал молодую актрису в труппу Московского ТЮЗа, в то время одну из лучших театральных трупп в стране.
С 1973 по 1983 гг. Ольга Остроумова служила в Театре на Малой Бронной, исполняла роли классического и современного репертуара.
С 1983 года Ольга Михайловна Остроумова – одна из ведущих актрис Театра им. Моссовета.
В кино Ольга Остроумова начала сниматься еще будучи студенткой. Ее первая роль в культовом школьной драме «Доживем до понедельника (1968), обаятельная школьница Рита Черкасова, дала поистине звездный старт ее карьере. А роль озорной зенитчицы Женьки в ленте Станислава Ростоцкого «А зори здесь тихие» (1972) принесла Ольге и другим актрисам и актерам фильма великую народную любовь.