Ольга Васильевна Лепешинская родилась 28сентября 1916 года в Киеве. В 1933 году окончила Московское хореографическое училище, дебютировала в Большом театре в балете «Тщетная предосторожность». С успехом танцевала как классические — Китри в «Дон Кихоте» Л. Ф. Минкуса, Аврору в «Спящей красавице» П. И. Чайковского, Одетту и Одилию в «Лебедином озере» того же автора, — так и современные партии: Тао Хоа в «Красном маке» Р. М. Глиэра, Жанна в «Пламени Парижа» Б. В. Асафьева и др.
В годы войны выступала на фронте со специально подготовленными программами. В 1943 году на сцене Большого театра состоялась премьера балета «Алые паруса», поставленного по одноимённой повести А. С. Грина. Исполнительницей главной партии Ассоль была О. В. Лепешинская. С этим балетом труппа гастролировала по освобождённым городам.
После войны Ольга Васильевна много гастролировала по городам СССР и за рубежом. В 1959 году снялась в фильме-балете «Граф Нулин».
После завершения карьеры в 1963 году О. Лепешинская занималась преподаванием как в СССР, так и за границей: в Риме, Будапеште, Мюнхене, Берлине и многих других городах, участвовала в жюри международных конкурсов артистов балета. С 1992 года О. В. Лепешинская — президент Российской хореографической ассоциации, а с 1996 года возглавляла правление Центрального дома работников искусств. В 1997 году стала профессором ГИТИСа. Более 50 лет возглавляла государственную экзаменационную комиссию на кафедре хореографии ГИТИСа.
Умерла О. В. Лепешинская в 2008 году в Москве.