Родилась 16 мая 1910 г. (3 мая 1910 г. по старому стилю) в Санкт-Петербурге. Отец - Федор Христофорович Берггольц (1885-1948) - в годы Первой мировой и Гражданской войн был военно-полевым хирургом, затем работал врачом на фабрике в пригороде Петербурга.
Детские годы Ольги Берггольц прошли на рабочей окраине Петербурга в районе Невской заставы. В 1918-1920 гг. жила в Угличе вместе с матерью Марией Тимофеевной (урожденная Грустилина; 1884-1957) и младшей сестрой Марией (в будущем - актриса театра и кино; 1912-2003). После возвращения с фронта отца семья вернулась в Петроград.
Училась в трудовой школе №117, которую окончила в 1926 г.
С 14 лет публиковалась в ленинградской пионерской газете "Ленинские искры". В 1925 г. в заводской стенгазете "Красный ткач" было напечатано стихотворение Берггольц "Ленин". В том же году она стала членом молодежной литературной группы "Смена" (входила в Ленинградскую ассоциацию пролетарских писателей), которой в разные годы руководили Илья Садофьев и Виссарион Саянов. В начале 1926 г. познакомилась с другим членом группы - молодым поэтом Борисом Корниловым (1907-1938), за которого спустя два года вышла замуж и родила дочь Ирину (скончалась в 1936 г.).
В 1926 г. была принята на Высшие государственные курсы искусствоведения, где преподавали Юрий Тынянов, Виктор Шкловский и др. Несколько лет спустя перевелась на филологический факультет Ленинградского государственного университета, который окончила в 1930 г. Преддипломную практику проходила во Владикавказе.
В 1920-е гг. стихи Ольги Берггольц публиковались в газетах "Ленинские искры", "Смена", журналах "Резец", "Юный пролетарий", "Чиж" и др. В 1930 г. в печать вышла ее первая книга - рассказ для детей "Зима-лето-попугай".
После окончания Ленинградского госуниверситета по распределению была направлена в Казахстан. К этому времени Ольга Берггольц развелась с Борисом Корниловым и вышла замуж за Николая Молчанова (1909-1942), с которым училась вместе в университете. Вместе с ним в начале 1930-х гг. работала в газете "Советская степь" (Алма-Ата) корреспондентом. В 1932 г. у супругов родилась дочь Майя (скончалась в 1933 г.).
По возвращении в Ленинград стала членом Российской ассоциации пролетарских писателей (РАПП), одним из основателей и генеральным секретарем которой был Леопольд Авербах, племянник председателя ВЦИК Якова Свердлова и брат супруги руководителя органов госбезопасности Генриха Ягоды. Также работала секретарем "Литературной газеты".
Позднее была принята на должность редактора в газету завода "Электросила". Участвовала в создании серии книг "Истории фабрик и заводов" (ответственный редактор - Леопольд Авербах). Работала в газете "Литературный Ленинград".
В 1932 г. стала кандидатом в члены Всесоюзной коммунистической партии (большевиков) - ВКП(б).
В 1934 г. была принята в Союз писателей СССР. В том же году вышел сборник поэтессы "Стихотворения", принесший ей широкую известность. Также в 1930-е гг. ею были опубликованы повесть "Углич" и сборник очерков "Глубинка" (1932), повесть "Журналисты" (1934), сборник рассказов "Ночь в Новом мире" (1935), сборник стихов "Книга песен" (1936) и др.
В апреле 1937 г. Ольга Берггольц была привлечена в качестве свидетеля по делу Леопольда Авербаха, который был арестован как родственник репрессированного Генриха Ягоды и обвинен в участии в антисоветской террористической организации (в августе 1937 г. расстрелян, по другим данным, покончил с собой). Репрессиям подвергся также муж сестры Ольги Берггольц - писатель, один из руководителей РАПП Юрий Лебединский. Сама поэтесса, которая во время следствия была беременна, потеряла ребенка.
В мае 1937 г. Берггольц была исключена из кандидатов в члены ВКП(б) и из Союза писателей СССР, в ноябре того же года уволена с завода "Электросила". В это же время по обвинению в участии в троцкистской организации был арестован ее бывший муж Борис Корнилов, в феврале 1938 г. - расстрелян.
С декабря 1937 г. непродолжительное время работала учительницей русского языка и литературы в школе № 6 Московского района Ленинграда.
Весной 1938 г. была восстановлена в списках кандидатов в члены ВКП(б) и как член Союза писателей. В том же году вернулась на завод "Электросила" в качестве редактора - автора истории завода.
13 декабря 1938 г. Ольга Берггольц была арестована по ложному обвинению в связях с террористической группой, которая "готовила покушение" на руководителей советского государства - Андрея Жданова и Климента Ворошилова (т. н. кировская литературная группа). По делу проходили главред "Кировской правды" Яков Акмин, председатель Вятского отделения Союза писателей Андрей Алдан-Семенов, литераторы Леонид Дьяконов, Константин Алтайский (Королев) и др. После ареста повторно была исключена из списков кандидатов в члены ВКП(б) и из Союза писателей. В тюрьме Ольга Берггольц провела более полугода, в апреле 1939 г. вновь потеряла ребенка. 3 июля 1939 г. была освобождена из заключения за отсутствием состава преступления, полностью реабилитирована.
В феврале 1940 г. вступила в ВКП(б).
В годы Великой Отечественной войны Ольга Берггольц оставалась в блокадном Ленинграде. В январе 1942 г. скончался ее супруг Николай Молчанов, в том же году отец поэтессы был выслан из города как "социально опасный элемент". Сама Берггольц перенесла тяжелую форму дистрофии.
С августа 1941 г. она работала в литературно-драматической редакции ленинградского радио. Там познакомилась с литературоведом, профессором Ленинградского университета Георгием Макогоненко, который стал ее третьим мужем (официально брак был зарегистрирован в 1949 г., в 1962 г. супруги разошлись).
Во время блокады (1941-1944) почти ежедневно вела радиопередачи, позднее вошедшие в ее сборник "Говорит Ленинград" (1946), где читала и свои стихи. Работала над радиофильмом о блокаде "900 дней" (сценарий Георгия Макогоненко, Лазаря Маграчева), в котором были объединены фрагменты различных звукозаписей (звук метронома, отрывки из Седьмой симфонии Дмитрия Шостаковича, объявления о тревоге, голоса людей, звуки артиллерийских обстрелов и др.). Фильм прозвучал 27 января 1945 г., в годовщину освобождения города. Именно Берггольц 27 января 1943 г. сообщила ленинградцам о прорыве блокады. Ее называли "голосом" и "музой" блокадного Ленинграда, "блокадной мадонной", поэт Евгений Евтушенко посвятил ей стихотворение "Лицо Победы" ("У Победы лицо настрадавшееся - Ольги Федоровны Берггольц").
В годы войны Берггольц создала свои лучшие произведения, среди которых "Февральский дневник" (1942), "Ленинградская поэма" (1942), "Ленинградская тетрадь" (1942; сборник), "Памяти защитников" (1944), пьеса "Они жили в Ленинграде" (1944; совместно с Георгием Макогоненко), "Твой путь" (1945), сценарий "Ленинградская симфония" (1945; совместно с Георгием Макогоненко).
В 1946 г., после постановления ЦК ВКП(б) "О журналах "Звезда" и "Ленинград", направленного против Михаила Зощенко и Анны Ахматовой, Ольга Берггольц, дружившая с Ахматовой, выступила в поддержку литераторов. За это сама оказалась в опале, поэтессу стали критиковать за "упадничество и индивидуализм", "воспевание темы страдания и ужасов перенесенной блокады", первое издание ее книги "Говорит Ленинград" было изъято из библиотек.
В 1950 г. она выпустила поэму "Первороссийск" о петроградских рабочих, основавших в Сибири первую в стране коммуну хлеборобов. В 1965 г. поэма легла в основу оперы "Питерцы" Александра Фридлендера, в 1967 г. была экранизирована режиссерами Александром Ивановым и Евгением Шифферсом под названием "Первороссияне". За эту работу поэтесса получила Сталинскую премию III степени (1951).
В 1952 г. вышел цикл ее стихов о Сталинграде. После поездки в Севастополь в 1954 г. Берггольц создала поэму "Верность", посвященную обороне города в 1941-1942 гг. В 1959 г. выпустила автобиографическую повесть "Дневные звезды" (экранизирована в 1966 г. реж. Игорем Таланкиным; роль Берггольц исполнила Алла Демидова). В 1965 г. вышел сборник стихов "Узел", который поэтесса посвятила Николаю Молчанову, в 1970-е г. - поэтические сборники "Верность", "Память".
Ольге Берггольц принадлежат известные строки "Никто не забыт, ничто не забыто". Они были написаны ей в стихотворении "Здесь лежат ленинградцы", созданном в 1959 г. для памятной стелы на Пискаревском мемориальном кладбище, где похоронены жертвы блокады и защитники города.
Страдала алкогольной зависимостью. В 1952 г. находилась на лечении в психиатрической больнице.
Скончалась Ольга Берггольц 13 ноября 1975 г. в Ленинграде. Сама поэтесса еще при жизни завещала похоронить себя на Пискаревском кладбище, однако по распоряжению первого секретаря Ленинградского обкома КПСС Григория Романова ее прах был захоронен на Литераторских мостках Волковского кладбища. Долгие годы могила оставалась без памятника, поскольку сестра Ольги Берггольц Мария отказывалась одобрять предложенные эскизы. Ситуацию не смог изменить и указ президента РФ Бориса Ельцина от 3 октября 1994 г. "Об увековечении памяти О. Ф. Берггольц", согласно которому памятник поэтессе должны были поставить на ее могиле в первом полугодии 1995 г. В результате скульптурная композиция (работа Владимира Горевого) была установлена на месте захоронения Ольги Берггольц только спустя 30 лет после ее смерти - 3 мая 2005 г.
Была награждена орденом Ленина (1967), орденом Трудового Красного Знамени (1960), медалью "За оборону Ленинграда" (1943). В 1994 г. ей было присвоено звание "Почетный гражданин Санкт-Петербурга".
После смерти Ольги Берггольц ее дневники были конфискованы. Комиссия по литературному наследию О. Ф. Берггольц и председатель Союза писателей РСФСР Сергей Михалков настаивали на помещение изъятых документов (дневников, переписки с Борисом Пастернаком, Анной Ахматовой, Лидией Чуковской, Дмитрием Шостаковичем и др.) в спецархив, поскольку родственники поэтессы могли использовать их "как в ущерб автору, так и государству". Материалы были отправлены в Центральный (ныне Российский) государственный архив литературы и искусства (РГАЛИ). Больше 20 лет доступ к ним был запрещен: сначала по распоряжению властей, затем по требованию родственников поэтессы - ее сестры и племянника. В печати появлялись лишь фрагменты дневниковых записей, сохранившихся у семьи Берггольц. В 2008 г. РГАЛИ получил право от наследников поэтессы на публикацию ее архива. В 2015 г. было объявлено о первом полном издании ее дневников. В 2016 и 2017 гг. вышли два тома собрания "Берггольц О. Ф. Мой дневник", охватывающие периоды 1923-1929 и 1930-1941 гг.
В 2010 г. издательство "Азбука" выпустило сборник "Ольга. Запретный дневник", посвященный ее 100-летию, в который впервые были включены материалы следственного дела 1938-1939 гг. из архивов ФСБ.
Ольге Берггольц посвящены короткометражная лента "Голос сердца" (1974; реж. Лев Цуцульковский), телефильм "Ольга Берггольц. "Как невозможно жили мы…" (2010; Михаил Трофимов), документальный четырехсерийный фильм "Ленинградка" (2011-2015; Людмила Шахт).
Именем Ольги Берггольц названы улица в центре г. Углича (Ярославская обл.), улица в Невском районе Санкт-Петербурга и сквер в Приморском районе на набережной Черной речки во дворе дома №20, где жила поэтесса. Памятные доски установлены на здании бывшей школы в Богоявленском монастыре Углича, где она училась, на улице Рубинштейна в Санкт-Петербурге. При входе в Дом радио Петербурга находится ее бронзовый барельеф. В 1988 г. памятник Ольге Берггольц установлен во дворе Ленинградского областного колледжа культуры и искусства, в 2015 г. - в Палевском саду Санкт-Петербурга.