Ольга Михайловна родилась 21 сентября 1947 года в городе Бугуруслане.
Детство прошло в этом городке, в маленьком домике, недалеко от церкви, священником которой был её дедушка. Отец Ольги был школьным учителем физики. Мать была хранителем семейных традиций, среди которых важное место занимали любовь и бережное отношение друг к другу. В семье Остроумовых кроме Ольги ещё две дочери и сын.
Когда Ольга решила стать актрисой, в семье к этому отнеслись просто и естественно. Никто её не отговаривал. Ей купили билет, напекли пирожков на дорогу и отправили в Москву, где она никого не знала. Так в 1966 году она стала студенткой ГИТИСа имени Луначарского. Студенческие годы Остроумовой проходили в общежитии ГИТИСа на Трифоновке.
Окончив институт в 1970 году, Остроумова была принята в Московский театр юного зрителя, где она начала работу у режиссёра П. Хомского, который ранее был её педагогом в ГИТИСе. Там же ей довелось работать с режиссёром Михаилом Левитиным, который стал её вторым мужем.
Роль школьницы в фильме Станислава Ростоцкого «Доживём до понедельника» в одночасье сделала её любимицей миллионов зрителей.
В фильме «А зори здесь тихие» она сыграла роль Жени Комельковой. Фильм стал культовым в Советском Союзе, Китае, ряде других стран. Культовой актрисой стала и Ольга Остроумова.
Но самой большой своей творческой удачей в кино актриса считает все-таки роль Василисы в фильме «Василий и Василиса». Эта работа стала этапной для Остроумовой.
По её признанию, если бы не было этой роли, то не появилась бы театральная роль Анфисы из спектакля «Вдовий пароход», поставленного Генриеттой Яновской на сцене Театр имени Моссовета, которая согласилась дать Остроумовой эту роль только после того, как посмотрела «Василия и Василису».
Ольга Остроумова – народная артистка России, лауреат Государственной премии СССР и премии имени А. Довженко.
В 1998 году награждена орденом Почёта. Лауреат итальянской «Серебряной нимфы» за фильм «А зори здесь тихие…». Удостоена Золотой медали имени А.П. Довженко (1978 год). Лауреат Царскосельской художественной премии – в 2007 году. Она – член Союза кинематографистов и Союза театральных деятелей России.
Актёрским идеалом для Ольги Михайловны являются Эдит Пиаф и Лидия Русланова. Особенно высоко чтит режиссуру Федерико Феллини и игру Чарли Чаплина. Она любит природу, увлекается мемуарной литературой, классической музыкой.
Живет и работает в Москве.
