Раннее детство Ольги прошло в Бугуруслане, в маленьком домике, недалеко от церкви, священником которой был её дед. Отец Ольги был школьным учителем физики, мать — домохозяйкой. Когда ей исполнилось шесть, семья осела в Куйбышеве (сейчас — Самара). У Ольги две сестры, Раиса и Людмила, и брат Георгий: Раиса, работавшая инженером водного транспорта, в настоящее время пенсионерка; Людмила — предприниматель, ныне живёт в Самаре; и Георгий, работавший на Байконуре, сейчас трудится в фирме по строительству подвесных мостов.
Когда Ольга решила стать актрисой, в семье к этому отнеслись просто и отговаривать никто не стал. Ей купили билет, напекли пирожков на дорогу и отправили в Москву, где она никого не знала. В 1966 году она стала студенткой ГИТИСа имени Луначарского. Студенческие годы Остроумова жила в общежитии ГИТИСа на Трифоновке.
Окончив институт (мастерская В. А. Вронской) в 1970 году, Остроумова была принята в Московский театр юного зрителя, где начала работу у режиссёра П. О. Хомского, который ранее был её педагогом в ГИТИСе. Там же ей довелось работать с режиссёром М. З. Левитиным, который стал её вторым мужем в 1973 году (в 1993-м году Левитин и Остроумова разошлись).
Ольга Остроумова и Валентин Гафт познакомились на вечере, в котором оба участвовали. Они расписались в 1996 году в больнице, хотя прославленный автор эпиграмм обратил внимание на будущую супругу ещё во время работы над фильмом «Гараж». Позже Гафт рассказывал, что нашёл в Ольге дружеское участие и искренность, которой ему не хватало в людях: «Я был поражён и восхищён тем, что известная на всю страну артистка оказалась Божьим человеком, ничем не испорченным, естественным, без всяких штампов. Всё было просто и прямо. Наблюдая за этим, постепенно и я стал становиться лучше. Мне не приходилось напрягаться, что-то из себя изображать, фальшивить, а надо было просто оставаться самим собой. И я ощутил счастье».
Роль школьницы в фильме С. И. Ростоцкого «Доживём до понедельника» в одночасье сделала её любимицей миллионов зрителей. Она сыграла роль Жени Комельковой в фильме «А зори здесь тихие», который стал культовым в Советском Союзе, Китае, ряде других стран. Самой большой своей творческой удачей в кино актриса считает роль Василисы в фильме «Василий и Василиса». По её признанию, если бы не было этой роли, то не появилась бы театральная роль Анфисы из спектакля «Вдовий пароход», поставленного Г. Н. Яновской на сцене Театр имени Моссовета, которая согласилась дать Остроумовой эту роль только после того, как посмотрела «Василия и Василису».
Живёт и работает в Москве.
Семья
отец — Михаил Алексеевич Остроумов (1910—1994), учитель физики в школе (сын священника);
мать — Наталия Ивановна Кудашёва (1912—2001), домохозяйка;
сёстры — Раиса и Людмила;
брат — Георгий;
первый муж (с 1969) — Борис Аннабердыев, сокурсник по ГИТИСу, ставший впоследствии режиссёром-кинодокументалистом «Туркменфильма»;
второй муж (с 1973) — Михаил Левитин, театральный режиссёр и писатель;
орден Почёта (15 августа 1998) — за многолетнюю плодотворную деятельность в области театрального искусства[7]
орден «За заслуги перед Отечеством» IV степени (12 июня 2008) — за большой вклад в развитие отечественного театрального искусства и многолетнюю творческую деятельность[8]
орден Дружбы (28 марта 2019) — за большой вклад в развитие отечественной культуры и искусства, средств массовой информации, многолетнюю творческую деятельность[9]
Другие награды, премии, поощрения и общественное признание:
