Ольга Барнет народилася в родині кінорежисера Бориса Барнета та акторки Алли Казанської.
Закінчила Вище Театральне училище імені Б. В. Щукіна в 1972 році (курс Олександра Борисова) і була прийнята в трупу Московського художнього театру, перейшовши після розколу до МХТ імені А. П. Чехова.
Крім МХТ імені А. П. Чехова, грала у виставах театру Олега Табакова.