Ольга Ломоносова родилась 18 мая 1978 года в Донецке. В 1988 году поступила в Киевское хореографическое училище. Работала в Музыкальном театре им. К. С. Станиславского и Вл. И. Немировича-Данченко артисткой балета. Поступила в Щукинское училище на курс Родиона Овчинникова. После окончания театрального института (в 2003 году) играла в Театре им. К. С. Станиславского (2004–2006) и Театре им. Евг. Вахтангова (2003–2005). Дебютировала в кино в 2001, сыграв эпизодическую роль в фильме «Новогодние приключения».