Родилась 3 апреля 1958 г. в г. Ленинграде (ныне Санкт-Петербург). Отец - Генрих Шоломович Розенберг (1925-2007) - ученый-судомеханик, разработчик газотурбинных установок, работал в Центральном научно-исследовательском институте морского флота. Мать - Наталья Ефимовна Дмитриева (1931 г.р.) - кандидат экономических наук, выпускница Ленинградского института водного транспорта.
В 1980 г. окончила факультет экономической кибернетики Ленинградского финансово-экономического института им. Н.А. Вознесенского (ЛФЭИ; ныне Санкт-Петербургский государственный экономический университет) по специальности "экономист-математик".
В 1985 г. защитила кандидатскую диссертацию на тему "Пропорциональность социалистического воспроизводства: сущность и формы проявления". В 1992 г. - диссертацию на соискание степени доктора экономических наук на тему "Региональная экономическая диагностика". Профессор.
В 1980-1993 гг. работала в Проблемной лаборатории региональных экономических исследований при ЛФЭИ.
В 1993 г. стала членом блока "Яблоко" ("Явлинский - Болдырев – Лукин"), присоединиться к которому ей предложил выпускник ЛФЭИ, один из руководителей блока Юрий Болдырев.
12 декабря 1993 г. избрана депутатом Государственной думы Федерального собрания РФ первого созыва в составе избирательного списка блока "Яблоко". Входила во фракцию "Яблоко", была членом комитета по бюджету, налогам, банкам и финансам. Согласно официальной биографии, Оксана Дмитриева является автором закона "О порядке рассмотрения и утверждения закона о федеральном бюджете на 1995 год", благодаря которому Думой было преодолено вето президента РФ Бориса Ельцина и обеспечен парламентский контроль над бюджетом.
17 декабря 1995 г. вновь избрана депутатом Госдумы второго созыва в составе избирательного списка "Яблока". Член фракции "Яблоко". Работала в комитете по бюджету, налогам, банкам и финансам, возглавляла подкомитет по бюджету, внебюджетным фондам и взаимоотношениям с бюджетом РФ. Один из разработчиков проекта Бюджетного кодекса РФ.
30 апреля 1998 г. назначена министром труда и социального развития в правительстве Сергея Кириенко. В связи с этим была исключена из партии "Яблоко". В июле вошла в правительственную комиссию по экономической реформе. Исполняла обязанности министра до 30 сентября 1998 г.
С сентября 1998 г. по декабрь 1999 г. - профессор кафедры экономической теории и мировой экономики Санкт-Петербургского государственного университета экономики и финансов (ныне Санкт-Петербургский государственный экономический университет).
В ноябре 1998 г. возглавила петербургское региональное отделение общероссийского общественно-политического движения "Развитие предпринимательства", учредителем и главой которого стал ее муж Иван Грачев, депутат Госдумы от фракции "Яблоко" (на думских выборах 1999 г. движение входило в состав избирательного блока "Отечество - Вся Россия").
19 декабря 1999 г. избрана депутатом Государственной думы III созыва по одномандатному округу №213 (Санкт-Петербург). В 2000-2003 гг. была заместителем председателя комитета по бюджету и налогам. Входила в депутатскую группу "Народный депутат", однако в марте 2001 г. была лишена членства во фракции после отказа голосовать за исключение из бюджета ст. 100 (запрет приватизации крупных объектов без согласия Думы).
7 декабря 2003 г. стала депутатом Госдумы IV созыва по одномандатному округу №213 Санкт-Петербурга. В депутатские объединения не вошла (независимый депутат), была членом комитета по бюджету и налогам.
В 2001 г. создала "Блок Оксаны Дмитриевой", который в том же году принимал участие в выборах депутатов муниципальных образований Санкт-Петербурга, а спустя год - в выборах в городское Законодательное собрание.
После образования в 2006 г. партии "Справедливая Россия" (лидер - Сергей Миронов) стала ее членом, вошла в центральный совет партии.
2 декабря 2007 г. избрана в Госдуму V созыва по списку "Справедливой России". Занимала пост первого заместителя, затем заместителя руководителя фракции "Справедливая Россия: Родина/Пенсионеры/Жизнь" Николая Левичева, входила в состав комитета по бюджету и налогам.
30 сентября 2010 г. была избрана председателем совета регионального отделения "Справедливой России" в Санкт-Петербурге, сменив на этом посту Олега Нилова.
4 декабря 2011 г. вновь стала депутатом Государственной думы VI созыва от партии "Справедливая Россия". Первый заместитель председателя парламентского комитета по бюджету и налогам. С декабря 2011 г. до апреля 2015 г. была заместителем руководителя фракции "Справедливая Россия".
17 июня 2014 г. на конференции петербургского отделения "Справедливой России" Оксана Дмитриева была выдвинута кандидатом на выборах губернатора Санкт-Петербурга, назначенных на 14 сентября того же года в связи с досрочной отставкой Георгия Полтавченко. Однако в регистрации ей было отказано из-за недостаточного количества собранных подписей муниципальных депутатов.
2 марта 2015 г. руководство "Справедливой России" приостановило полномочия Оксаны Дмитриевой как председателя отделения партии в Санкт-Петербурге. 4 марта на региональной партийной конференции новым главой петербургского отделения был избран Олег Нилов, депутат Госдумы РФ.
30 марта 2015 г. написала заявление о выходе из партии "Справедливая Россия". 6 апреля того же года была выведена из состава совета парламентской фракции "Справедливая Россия" и лишена поста замруководителя фракции.
В 2016 г. баллотировалась в Государственную думу РФ VII созыва от Партии роста (второе место в общей части федерального списка после лидера партии Бориса Титова). По итогам парламентских выборов 18 сентября 2016 г. партия в Госдуму не прошла (1,29%).
Одновременно 18 сентября 2016 г. Оксана Дмитриева участвовала в выборах в Законодательное собрание Санкт-Петербурга (возглавляла список Партии роста). Была избрана депутатом заксобрания. В региональном парламенте возглавила фракцию Партии роста. Член бюджетно-финансового комитета и постоянной комиссии по промышленности, экономике и предпринимательству.
20 октября 2018 г. вошла в федеральный политсовет Партии роста. С июля 2020 г. - сопредседатель партии.
С 2021 г. - депутат Государственной думы РФ VIII созыва. Была выдвинута на выборы 19 сентября 2021 г. от Партии роста по федеральному округу под первым номером в составе региональной группы №3 (Архангельская, Вологодская, Ленинградская, Новгородская обл., Санкт-Петербург, Ненецкий АО) и по Юго-Восточному одномандатному избирательному округу №217 (Санкт-Петербург). Партия роста в Госдуму не прошла, не преодолев 5-процентный барьер (0,52%). Оксана Дмитриева была избрана в Госдуму по Юго-Восточному одномандатному округу с результатом 33,28% голосов. Ее основной соперник, депутат городского заксобрания Любовь Егорова ("Единая Россия"), получила 21,38% голосов. После формирования созыва стала единственным депутатом, кто не присоединился ни к одной из партийных фракций.
Награждена почетной грамотой президента РФ (2014).
Автор более ста научных работ и монографий.
Замужем, имеет сына. Супруг - Иван Дмитриевич Грачев, бывший депутат Госдумы РФ и председатель парламентского комитета по энергетике.