Олеся Фаттахова начала свою театральную деятельность в девятом классе, затем обучалась в «Студии Творческих Опытов» и ВГИКе на мастерской Игоря Ясуловича. В студенческие годы участвовала в постановках «Ревизор» и «Левша». Кинодебют актрисы состоялся в 2009 году во втором сезоне мелодрамы «Две сестры».

В 2010 году Фаттахова получила первую главную роль в фильме «Ой, цветет калина». В 2012 году сыграла летчицу Зинаиду Липко в военном многосерийном проекте «Ночные ласточки», где появилась с обнаженной грудью.