Казалось бы, что судьба её была предопределена, ведь всё своё детство она прожила в том же доме, в котором находился Ленинградский театр Комедии имени Акимова. Но поначалу об актёрской карьере она и не помышляла, предпочитая проводить своё свободное время за шитьём.
Тем не менее, когда пришло время выбирать будущую профессию, Ольга Сергеевна подала документы в Ленинградский государственный институт театра, музыки и кинематографии, где успешно проучилась в мастерской преподавателя Бориса Зона.
Окончив в 1965 году институт, Ольга Антонова начала работать в труппе с детства ей знакомого Ленинградского Академического театра Комедии имени Акимова. Этому театру она верна до сих пор. На его сцене она сыграла множество прекрасных ролей, которые прославили её как выдающуюся театральную актрису: Шура Залыгина («Инкогнито»), Нина Бегак («Этот милый старый дом»), Елена Прекрасная («Троянской войны не будет»), Анна Змеюкина («Свадьба-юбилей») и другие.
Помимо своего родного театра, актриса немало сотрудничала и с театром «Приют Комедианта» и «Русской антрепризой им. Андрея Миронова».
Её первая заметная работа в кино состоялась в 1977 году – тогда зрители увидели картину «Почти смешная история» режиссёра Петра Фоменко, с которым актриса успела немало поработать в театре. Блистательно сыграв в этом фильме Илларию Павловну, она буквально сразу стала знаменитой на весь Советский Союз.
В восьмидесятые её почти не приглашали в кино, но одна из двух картин, в которых она всё же снялась в этот период, принесла ей признание кинокритиков. Это была лента «Астенический синдром» известного режиссёра Киры Муратовой.
В настоящее время Ольга Сергеевна продолжает изредка принимать предложения о съёмках, но большую часть своего времени она преподаёт в Санкт-Петербургской Государственной Академии Театрального искусства.
