Olga tillbringade en del av sin barndom i Polen, där fadern blev vicekung 1862, och upplevde det polska upproret 1863. Hon mötte Georg första gången då familjen besökte Grekland 1863; tre år senare besökte Georg Ryssland, då han tyckte att en medlem av det ryska tsarhuset skulle bli en bra drottning för Grekland på grund av att Ryssland och Grekland delade religion, och då Olga blev förälskad i honom eklaterades förlovningen. De gifte sig i Vinterpalatset i Sankt Petersburg 1867 och tillbringade smekmånaden i Ryssland. Olga blev vid giftermålet hedersamiral för den ryska flottan, den enda kvinna med denna titel.
Drottning
Porträtt av kungaparet 1903
Olga var vid giftermålet fortfarande barnslig och tog med sig dockor, kramdjur och en guvernant till Grekland; hon fick ett entusiastiskt mottagande, men kunde inte tala grekiska och fann i början representationen så ansträngande att hon vid ett tillfälle blev funnen gråtande med sin nallebjörn i famnen. Hon fann sig dock snart och efter ett år kunde hon tala landets språk och väckte respekt genom sitt sätt att spela sin roll vid offentliga sammanhang.
Det grekiska kungahuset förde ett enkelt och monotont liv i jämförelse med övriga Europa; de tillbringade vintern i Aten och på Tatoi och sommaren på Korfu och utomlands. Olga led av hemlängtan och fyllde sitt rum med ryska ikoner; hon bjöd ofta in ryska sjömän till slottet, något hon berättigade med sin ställning som rysk hedersamiral, och beslöt att uppfostra sin yngsta son till ryss. Relationen till maken var relativt harmonisk, hon såg sig tvungen att acceptera hans otrohet.
Olga var stödde enväldet och kände motstånd mot parlamentarismen och betraktades som en agent för Ryssland och panslavismen, men även om hon hade dessa åsikter saknade hon i själva verket inflytande på sin man; däremot kan hon ha utövat ett visst inflytande över sina söner. Hon använde dock sin diplomatiska förmåga inom de slaviska lägret till förmån för Grekland och höll under Balkankriget ett offentligt tal mot Bulgariens monark i Thessaloniki.
Olga var en populär drottning och aktiv inom välgörenhet redan som sextonåring. Hon var beskyddare för barnhemmet Amalion, det barnhem som grundades av före detta drottningen Amalia, samt flickskolan Arsakeion och militärsjukhusen i Aten. Hon grundade ett hospice för mottagning av obotligt sjuka, ett sanatorium , en matlagningskola för fattiga flickor i Pireus som senare även blev en yrkesskola för äldre kvinnor, ett sjukhus (1891), separata fängelser för könen och uppfostringsanstaler för ungdomar, sjukhuset Evangelismos, och en sjuksköterskeskola (1897). Tillsammans med sina svärdöttrar Sofia av Preussen, Helena Vladimirovna av Ryssland, Alice av Battenberg och Marie Bonaparte, tjänstgjorde hon som sjuksköterska under trettiodagarskriget 1897 och Balkankriget 1912-1913, för vilket hon mottog en medalj från Storbritannien och allmän popularitet.
Efter trettiodagarskriget 1897, där hon lagt märke till att soldaterna inte kunde läsa bibeln på grund av dess ålderdomliga språk, lät hon översätta bibeln från en antik grekiska som endast förstods av ett fåtal till en modern grekiska som alla förstod, i samarbete med Atens ärkebiskop Procopios, vilken utgavs 1901. Detta var inte godkänt av grekiska kyrkan och möttes av protester, eftersom den moderna grekiskan innehöll lånord och därför ansågs som en förolämpning av Greklands arv. Upplopp bröt ut där 60 dödsoffer krävdes, och kyrkan förklarade att alla som köpte utgåvan var kättare och krävde att Olga skulle utvisas. Utgåvan förbjöds och ärkebiskopen och Georgios Theotokis regering tvingades avgå.
Änkedrottning
Olga Konstantinovna av Ryssland, änkedrottning av Grekland, 1914
År 1913 dog maken i ett attentat och hon förde personligen hans lik till dess begravning i Tatoi. Efter hans död återvände hon till Ryssland, där hon bosatte sig i Sankt Petersburg, där hon under första världskriget drev ett krigssjukhus för de sårade. Hon försökte förgäves varna tsarparet för revolutionsrisken 1916. Under ryska revolutionen vägrade hon att lämna landet och stannade ensam kvar i palatset i Pavlovsk med bara en kvinna som sällskap. Palatset plundrades av bolsjevikerna medan hon var där men hon lyckades försvara sig, och fick med hjälp av danska ambassaden pass att ta sig ur landet 1919.
Olga reste då till sin äldste son i Schweiz, där han bott sedan han 1917 avsatts till förmån för sin son Alexander I av Grekland. Då Alexander plötsligt avled 1920, övertalades Olga av sin son att återvända till Grekland, medveten om att det vore för känsligt för hans närmaste familj att återvända. Hon accepterade hans förslag och blev vid tillbakakomsten den enda medlemmen av kungahuset att bevista Alexanders begravning.
Då den grekiska regeringen beslutat att återinstallera hennes son på tronen, blev Olga ombedd att fungera som ställföreträdande regent fram till hans återkomst, vilket hon accepterade. Hon innehade sin ställning som regent en månad, under vilken hon förberedde sonens återinstallation.
