Родилась 25 декабря 1928 г. в Ленинграде (ныне Санкт-Петербург).
В 1947 г. окончила Ленинградское хореографическое училище (ныне Академия русского балета им. А. Я. Вагановой, Санкт-Петербург) по классу народной артистки РСФСР Агриппины Вагановой.
В 1947-1973 гг. - ведущая солистка балетной труппы Ленинградского академического театра оперы и балета им. С. М. Кирова (ныне - Государственный академический Мариинский театр, Санкт-Петербург). Среди исполненных ею партий были: Китри в "Дон Кихоте" Людвига Минкуса, Жизель в одноименном балете Адольфа Адана, Одетта-Одиллия в "Лебедином озере" Петра Чайковского, Зарема в "Бахчисарайском фонтане" Бориса Асафьева, Эгина в "Спартаке" и Гаянэ в одноименном балете Арама Хачатуряна, Бьянка в "Отелло" Алексея Мачавариани, Мехменэ Бану в "Легенде о любви" Арифа Меликова, Лауренсия в одноименном балете Александра Крейна.
С 1972 г. Ольга Моисеева являлась балетмейстером-репетитором Государственного академического Мариинского театра. В числе ее учениц - народные артистки России Галина Мезенцева, Алтынай Асылмуратова, Юлия Махалина, Светлана Захарова, Ирма Ниорадзе.
В 1998 г. возглавляла жюри IV международного балетного конкурса "Ваганова-prix" (Санкт-Петербург).
24 июня 2021 г. стало известно, что Ольга Моисеева скончалась на 93-м году жизни.
Народная артистка СССР (1983).
Была награждена орденом Дружбы (2008).
Лауреат III Всемирного фестиваля молодежи и студентов (1951, Восточный Берлин, ГДР) и высшей театральной премии Санкт-Петербурга "Золотой софит" (2007).