Её родители, Альберт Арнтгольц и Валентина Галич, играли на сцене Калининградского областного драматического театра, поэтому уже в детстве Ольге нередко приходилось бывать за кулисами театра. В девятилетнем возрасте она впервые вышла на большую сцену вместе со своей сестрой, они тогда играли лягушек в детском спектакле.
Правда, театр не был единственным увлечением Ольги, также она с удовольствием занималась пятиборьем, художественной гимнастикой, мечтала стать журналисткой. Тем не менее, окончив театральный класс лицея № 49, сёстры Арнтгольц отправились в Москву, где с первой попытки поступили в легендарное училище имени Щепкина.
Ещё в студенческие годы начинающая актриса Ольга Арнтгольц сыграла главную роль в сериале «Трое против всех», который принёс ей первую популярность и любовь зрителей.
Многие режиссёры хотели снять сестёр вместе, но этому суждено было осуществиться только в 2003 году. Вместе актрисы приняли участие в съёмках сериала «Зачем тебе алиби?», эту детективную историю снял режиссёр Рауф Кубаев.
Окончив в 2003 году Высшее Театральное училище имени Щепкина, актриса начала работать на съёмочной площадке фильма «Русское», где она играла главную героиню Светку. В этой истории о первой любви и первых разочарованиях с ней в паре играл другой перспективный российский актёр Андрей Чадов.
Уже первые картины сделали Ольгу Арнтгольц одной из самых известных молодых актрис, поэтому неудивительно, что предложения от режиссёров стали поступать с завидной регулярностью. На волне первого успеха она снялась в фильмах «Не забывай», «Свадьба Барби», «Жаркий ноябрь», «Живой», «Глянец», «Лапушки» и других.
Несмотря на внешнее сходство, сёстры сильно отличаются друг от друга по характеру. Ольга более спокойная, скромная и рассудительная, чем Татьяна. Возможно, именно поэтому ей часто достаются роли похожих на неё саму героинь.
