Ольга Голованова родилась в 1963 году в семье известных советских актёров — Марии Виноградовой и Сергея Голованова. В 1986 году окончила музыкальное училище имени Гнесиных, в 1989 году — ГИТИС.
В настоящее время работает на дубляже и озвучивании зарубежных фильмов и сериалов. Голос Шарлотты Йорк в сериале «Секс в большом городе» и его продолжениях.
До 2005 года состояла в браке с актёром Леонидом Белозоровичем; есть сын.