Родилась 28 апреля 1967 г. в г. Горьком (ныне - Нижний Новгород).
В 1990 г. окончила Севастопольский приборостроительный институт по специальности "автоматизация и механизация процессов обработки и выдачи информации" с присвоением квалификации "инженер по информационным системам".
С 1990 г. - сотрудник кафедры информационных систем Севастопольского национального технического университета (ныне – Севастопольский государственный университет).
В 2006-2010 гг. - депутат Ленинского районного совета Севастополя V созыва (Украина).
В 2009-2014 гг. - заместитель председателя детской общественной организации "Ступеньки".
С 2013 г. возглавляла общественную организацию "Правозащитная группа "Равелин".
Выступала против дискриминационных мер, предпринимаемых официальными властями Украины по отношению к русскоязычным гражданам, против евроинтеграции Украины. Делегат конференции 19 ноября 2013 г., на которой было заявлено о невозможности для Севастополя евроатлантического выбора. Вошла в число 69 человек, подписавших обращение к депутатам Севастополя с просьбой определить свою позицию в отношении будущего Украины.
В 2014 г. - старший преподаватель кафедры информационных систем Севастопольского национального технического университета.
С января 2014 г. принимала участие в деятельности общественного движения "Республика", стоявшего у истоков т. н. Крымской весны.
В феврале 2014 г., после госпереворота на Украине, Севастополь и Крым отказались признавать легитимность самопровозглашенной власти. Ольга Тимофеева стала одним из организаторов митинга 23 февраля, на котором был избран народный мэр Севастополя Алексей Чалый.
18 марта 2014 г. в Кремле участвовала в торжественной церемонии подписания договора о принятии Крыма и Севастополя в состав РФ.
14 сентября 2014 г. была избрана депутатом Законодательного собрания Севастополя I созыва от партии "Единая Россия".
В 2014-2019 гг. - член Совета Федерации РФ от законодательного органа власти Севастополя. 21 октября 2014 г. была наделена полномочиями сенатора. 14 сентября 2019 г. Ольгу Тимофееву в Совфеде сменила Екатерина Алтабаева.
Член регионального штаба ОНФ в Севастополе с марта 2014 г.
Член Всероссийской политической партии "Единая Россия" с апреля 2014 г.
Общая сумма декларированного дохода за 2017 г. составила 4 млн 613 тыс. руб.
Общая сумма декларированного дохода за 2018 г. составила 4 млн 861 тыс. руб.