Родилась 28 сентября 1961 в Ленинграде. После школы всерьёз увлеклась театром, став классической представительницей ленинградской актёрской школы.
Дебютировала в кино Ольга Мелихова достаточно рано, в 1980 году, когда ей было 19 лет. Причём актрисе сразу досталась главная роль в мелодраматической картине Виктора Аристова «Тростинка на ветру». Советские кинокритики восприняли работу девушки весьма положительно, и актрису стали регулярно приглашать на съёмки. В 1981 году Ольга Мелихова сыграла ещё одну главную роль, на этот раз у режиссёра Виктора Титова в популярном двухсерийном фильме «Отпуск за свой счёт».
После трёхлетнего перерыва в кинокарьере Ольга Мелихова вновь оказалась на экранах страны благодаря Вячеславу Криштофовичу, который пригласил актрису на роль Лизоньки в художественный фильм по повести Льва Николаевича Толстого «Два гусара». В 1985 году Ольга сыграла в ещё одной знаменитой картине Криштофовича «Володя большой, Володя маленький».
В 1986 году Ольга Мелихова получила роль в менее популярной ленте «Знаю только я». А в 1988-ом сыграла в кинокартине «Собачье сердце», снятой знаменитым советским режиссёром Владимиром Бортко по одноимённой повести Михаила Булгакова. Работа актрисы в этом фильме запомнилась многим зрителям.
Кинокарьеру Ольга Мелихова успешно совмещала с работой в Ленинградском (ныне Санкт-Петербургском) молодёжном театре на Фонтанке.
После распада Советского Союза, когда отечественный кинематограф переживал кризис, Ольга перестала сниматься. По семейным обстоятельствам и по личным причинам вскоре Ольга Мелихова покинула и театр.
Долгое время актриса жила в Ленинградской области и работала менеджером. В 2008 году она была приглашена для исполнения эпизодической роли в серию телевизионного фильма «Закон и порядок: Преступный умысел». Однако о продолжении карьеры актрисы сегодня Ольга не задумывается всерьёз.
