Родилась в семье писателя С. П. Антонова. В 1965 году окончила Ленинградский государственный институт театра, музыки и кинематографии (ныне — Российский государственный институт сценических искусств), курс Б. В. Зона. В этом же году была приглашена в Ленинградский театр Комедии, которым тогда руководил Н. П. Акимов, где прослужила до 2015 года. И несмотря на то, что Акимов не успел найти достойной оправы дарованию Ольги Антоновой, её талант был в первые годы службы в театре отшлифован в постановках других режиссёров. Тогда, в репертуарных ролях травести, угловатых девочек, школьниц, горничных и принцесс (всего было сыграно около двадцати ролей), Ольга Антонова выработала свой особый стиль. Волшебная природа «сказочного эльфа», как за глаза прозвали актрису критика и почитатели, обаяние хрупкости, внутренняя чистота и сила лежат в основе её индивидуальности. Как одна из самых интересных работ сезона была замечена первая же роль Ольги Антоновой: подкупавшая внутренней чистотой, предельной искренностью и обаянием светлых глаз Шypa Залыгина — «сложная девочка», персонаж комедии Бориса Рацера и Bладимира Константинова «Инкогнито» (реж. Лев Цуцульковский).
В октябре 2015 года Ольга Антонова уволилась из Театра Комедии в результате конфликта с художественным руководителем театра Т. С. Казаковой.