Ольга Остроумова родилась 21 сентября 1947 года в городе Бугуруслан Оренбургской области. После окончания школы, в 1966 году, уехала в Москву и поступила в Российский Институт Театрального Искусства, где училась с большим вдохновением.
Одним из преподавателей актерского мастерства на курсе был Хомский, который тогда возглавлял Московский ТЮЗ и уделял много внимания формированию труппы, в том числе и талантливой молодежью. Хомский пригласил туда и Остроумову, еще когда она училась на втором курсе.
Окончив институт в 1970 году, Ольга уже в качестве полноправной актрисы была принята в состав основной труппы Московского Театра Юного Зрителя.
В кино Остроумова начала сниматься, еще будучи студенткой. Ее дебютом стала роль в фильме «Доживем до понедельника», который стал очень популярен, а на Ольгу обратили внимание зрители, критики и режиссеры. Далее последовали другие роли в кино, но настоящая известность пришла к актрисе в 1972 году после выхода фильма «А зори здесь тихие». Картина стала культовой для целого поколения зрителей, а роль в ней оказалась для актрисы звездной.
Новую волну успеха и признания Ольге Остроумовой принесла роль в картине «Любовь земная» и в логическом продолжении данной киноленты - картине «Судьба».
Театральная деятельность актрисы в то время оставалась не менее активной. В 1973 году она перешла в Театр на Малой Бронной, где дебютировала в пьесе «Своей дорогой». Затем были роли в спектаклях - «Варвары», «Волки и овцы», «Веранда в лесу», «Лето и дым» и других. Именно в Театре на Малой Бронной, работая с А. Эфросом, она по-настоящему поняла, что такое профессия актера, и что такое театр. Органичность актрисы и уверенно растущий профессионализм принесли Ольге еще больший успех и признание зрителей.
Одновременно с работой в театре она продолжала сниматься в кино, где сыграла много интересных ролей в картинах - «Гараж», «Похищение «Савойи»», «Безумный день инженера Баркасова», «Чаша терпения» и многих других. Но сама актриса самой удачной и любимой своей работой считает роль в фильме «Василий и Василиса». Эта работа стала этапной для нее и явилась, своего рода, точкой пересечения ее кинематографической и театральной судьбы.
В Театр имени Моссовета, вновь к своему учителю П. Хомскому, Остроумова перешла еще в 1983 году, когда после ухода А. Эфроса в Театре на Малой Бронной начался постепенный развал. В Театре Моссовета в ее репертуаре, наряду с современной драматургией, прочное место заняла классика. Помимо роли во «Вдовьем пароходе», она сыграла еще немало прекрасных и серьезных ролей в спектаклях «Мадам Бовари», «Дни Турбинных», «Муж, жена и любовник», «Белая гвардия», «Учитель танцев», «Вишневый сад», «Серебряный век» и других. Многие из этих спектаклей с успехом идут и сегодня.
Из-за работы в театре Ольга Михайловна часто отказывалась от предложений работать в кино, особенно в 1990-х годах. Вновь много сниматься она начала уже в новом тысячелетии. Это роли как в художественных картинах - «По ту сторону волков», «Джокер», «Адмирал» и других, так и в сериалах - «Бедная Настя», «Не родись красивой», «Капитанские дети».
Ольга Остроумова - Заслуженная артистка РСФСР, Народная артистка России, лауреат Государственной премии СССР, премии имени А.Довженко, премии имени Станиславского, приза «Серебряная нимфа» - Италия, кавалер ордена Святой Екатерины и ордена Почета. Она - член Союза кинематографистов и Союза театральных деятелей России. Ольга Остроумова - один из самых ярких символов русской сексуальности и неагрессивной женственности. Главное же в работе над любой ролью, считает сама актриса, - всегда быть правдивой.
Она дважды была замужем. Ее первым мужем был режиссер М. Левитин. В этом браке родились сын Михаил и дочь Ольга. Однако в 1993 году, после почти 23 лет совместной жизни, Остроумова и Левитин развелись, и через три года Ольга Михайловна снова вышла замуж. На этот раз избранником стал прославленный актер Валентин Гафт, с которым Ольга Михайловна была счастлива в браке до последних дней его жизни. Валентин Иосифович скончался 12 декабря 2020 года.