Ольга Богомолец принадлежит к черниговской ветви древнего литовско-русского рода Олиферовичей-Богомольцев, происходящего из Витебского воеводства. По сохранившимся письменным источникам история рода прослеживается до середины XV века.
В 1989 году окончила с отличием Киевский медицинский институт (ныне Киевский Национальный медицинский университет им. Богомольца). В 1993—1994 гг. училась в Медицинском университете штата Пенсильвания и Институте дерматопатологии Бернарда Аккермана (Филадельфия, штат Пенсильвания, США).
После возвращения из США основала собственную Клинику лазерной медицины, ныне известную как Институт дерматологии и косметологии доктора Богомолец. С 2003 года по настоящее время — главный врач этого Института.
С декабря 2004 года по октябрь 2005 года была личным врачом президента Украины Виктора Ющенко.
Член Американской академии дерматологии, Европейской Академии дерматологии и венерологии, Нью-Йоркской академии наук. Автор более 70 научно-исследовательских работ по дерматологии. Владелец 9 патентов на изобретения в этой отрасли медицины. Инициатор и организатор ежегодной общенациональной акции "День меланомы".
Принимала активное участие в медицинском обеспечении киевского Евромайдана во время революции 2013—2014 гг. Коллегами-медиками признана моральным лидером Медицинской сотни. При формировании нового правительства 26 февраля 2014 года отказалась занять должность вице-премьера по гуманитарным вопросам.
