Родилась в Москве в 1964 году. Окончила постановочный факультет Школы-Студии при МХАТ им Чехова в 1985 году. После 4 курса начала работать в Московском театре «Сфера» сначала реквизитором и художником-декоратором, а затем — художником-постановщиком.
С 2002 года стала совмещать работу в кино и в театре. Работала с режиссерами Борисом Хлебниковым, Натальей Мещаниновой, Любовь Мульменко, Оксаной Бычковой и многими другими.
Среди последних работ Ольги фильмы — «Аритмия» (2017), «Снегирь» (2023), «Фрау» (2023), а также получившая в этом году широкое признание картина Бакура Бакурадзе «Лермонтов». Известна также, как художник-постановщик в сериалах: «Шторм», «Обычная женщина».
Уже четвертый год Ольга Хлебникова преподает мастерство художника кино в Институте Кино и Телевидения в Москве, а также участвует в ежегодных выставках театральных художников Москвы «Итоги сезона».