В 1988 году Ольга Ломоносова поступила в Киевское хореографическое училище, но на последнем курсе отказалась от стажировки в Германии, выбрав жизнь в Москве и карьеру актрисы. В 2003 году она окончила Театральный институт им. Щукина и работала в Театрах им. Станиславского и им. Евгения Вахтангова.

Первая телевизионная роль Ломоносовой состоялась в сериале «Кобра: Антитеррор» (2003). В 2005 году актриса получила всероссийскую известность благодаря роли Киры Воропаевой в сериале «Не родись красивой». В фильме «Ночные сёстры» (2007) показана сцена с обнажённой грудью актрисы.