Ольга Арнтгольц родилась в семье актеров Альберта и Валентины Арнтгольц. У нее есть сестра-близнец Татьяна, которая старше ее на 20 минут. В детстве Ольга занималась гимнастикой, пятиборьем и училась в музыкальной школе по классу скрипки. До 9-го класса сестры учились вместе, затем перевелись в актерский класс местного лицея, а после его окончания продолжили обучение в театральном институте имени М. С. Щепкина, который окончили в 2003 году.

Впервые на экране Ольга и Татьяна появились в 1999 году в молодежном сериале «Простые истины». Телесериал шёл четыре года и принёс сестрам широкую известность по всей России.