Как-то, когда семья Ломоносовых выехала на отдых, кто-то посоветовал маме Ольги отдать дочь в балет, и в 1988 году девушка уехала пробоваться в Петербургское Вагановское училище. Будучи кандидатом в мастера спорта по художественной гимнастике, она надеялась с лёгкостью пройти конкурс, но её не приняли. Возвратившись в Киев, она прошла отбор в хореографическое училище.
В 1997 году в столицу Украины приехал Штутгартский балет. Ольга Ломоносова подошла к директору с просьбой взять её в труппу. Он пригласил её в Штутгартскую школу хореографии, гарантируя оплату учёбы. Но перед отъездом Ольга на время уехала в Москву и решила остаться там.
В 1998 году Ольга Ломоносова переехала в Москву и стала работать в Музыкальном театре. Через некоторое время балетмейстер посчитал вес балерины излишним и запретил ей выходить на сцену. Она не отчаялась и стала пробоваться в другие театры. Успех ждал её в Имперском балете Гедиминаса Таранды. Во время гастролей балета во Франции Ольга сильно ударилась спиной. Несмотря на сильную боль, она всё же вышла на сцену, но после этого участвовала только в массовке.
Так как в балете оставаться она не могла, Ломоносова по совету подруги решила поступить в Щукинское училище. Была зачислена на курс Овчинникова. На третьем курсе она приняла участие в фильме «Смерть Таирова», эта картина стала для неё актёрской школой. На этом же курсе она сыграла в постановке «Король Лир».
В 2003 году Ольга закончила училище, после чего она стала работать в театре имени Вахтангова.
Знаменитой Ольгу Ломоносову сделал сериал «Не родись красивой», помимо него она приняла участие в «Девяти месяцах», «Красной комнате» и других сериалах и фильмах.
