Ольга Олеговна Ломоносова родилась в Донецке. Отец Ольги - строитель, мама - экономист. К 1986 вместе с семьёй Ольга переехала в Киев, куда перевели её отца. С раннего детства начала заниматься гимнастикой. В Киеве занималась в школе художественной гимнастики прославленного тренера Ирины Дерюгиной. Стала кандидатом в мастера спорта.
Поступила в Киевское хореографическое училище, закончила его в 1998 году, была отобрана директором Штутгартской школы хореографии для карьеры за рубежом, но приехав в Москву в 1997 г., режила остаться в столице.
Была принята в Музыкальный театр им. К. С. Станиславского и Вл. И. Немировича-Данченко артисткой кордебалета. Также танцевала в труппе «Имперского русского балета» под рук. Гедеминаса Таранды, в т.ч. главную партию партию в балете «Руслан и Людмила».
По настоянию друзей, видевших в ней актрису, в возрасте 21 года поступила в ВТУ им. Щукина на курс Родиона Овчинникова, миновав второй тур. Уже на втором курсе была утвердждена на роль в картине «Смерть Таирова» (реж Борис Бланк), где ее партнерами стали Михаил Козаков, Алла Демидова и Алексей Петренко. На третьем курсе Ольга получила предложение сыграть Корделию в спектакле «Лир» (по пьесе Шекспира, Театр им. Вахтангова, реж. Вл. Мирзоев).
После окончания театрального института в 2003 году служила в Театре им. К. С. Станиславского (с 2004 по 2006 гг., спектакли «Сон в летнюю ночь», «Пигмалион» ) и Театре им. Евг. Вахтангова (С 2003 по 2005 гг., спектакли «Прекрасные люди», «Лир», «Дон Жуан и Сганарель», «Калигула»). Затем играла в труппе «Другого Театра» (спектакль «Утиная охота»).
Ольга Ломоносова - популярная актриса российского кино. С 2003 года снялась и продолжает сниматься в самых известных кино-и телепроектах среди которых:
2001 — «Кобра. Антитеррор»
2004 — «Дети Арбата»
2004 — «Смерть Таирова»
2005 — «Не родись красивой» (Кира Воропаева)
2005 — «Одна тень на двоих»
2005 — «Богиня прайм-тайма»
2007 — «Любовь на острие ножа»
2007 — «Ночные сёстры»
2008 — «Дважды в одну реку»
2008 — «Чизкейк»
2008 — «Пять шагов по облакам»
2009 — «Зверобой»
2010 — «Осведомленный источник в Москве»
2010 — «Дежурный ангел» (телесериал)
2010 — «Военная разведка.Западный фронт»
2010 — «Зверобой-2»
2011 — «Назад — к счастью, или Кто найдет Синюю птицу»
2011 — «Объект 11»
2012 — «Бабье царство»
2012 — «45 секунд»
Первый супруг - Евгений Ряшенцев
Второй супруг (гражданский брак) - Павел Сафонов, актер театра и кино, режиссер
Дочь - Варвара Сафонова (06.12.06)
Дочь - Александра Сафонова (25.05.11)