В школе Ольга Михайловна не участвовала ни в какой художественной самодеятельности, потому все друзья, родители и даже учителя были очень удивлены ее решением ехать в Москву и поступать в ГИТИС.
Кинокарьера началась для Ольги в 1967 г., когда она еще была студенткой ГИТИСа. Двадцатилетнюю Остроумову пригласили на роль десятиклассницы Риты Черкасовой в фильме С. Ростоцкого «Доживём до понедельника». Фильм пользовался большой популярностью. На Остроумову впервые обратили внимание и зрители, и критика.
В 1970 Ольга Михайловна закончила ГИТИС и уже в качестве полноправной актрисы была зачислена в штат ТЮЗа. Из наиболее удачных ролей актрисы в этом театре можно назвать следующие: Елена в «Мещанах», Юлия Джули в «Тени» и Лебедкина в «Поздней любви».
Свою «звёздную» роль в кино Ольга Остроумова сыграла в 1973 году в фильме своего «крёстного отца» в кинематографе – режиссёра Станислава Ростоцкого - роль очаровательной и бесстрашной Женьки Комельковой в фильме «А зори здесь тихие...». Второй значительной работой актрисы стала роль Мани Поливановой в картине Евгения Матвеева «Любовь земная». Ольга Остроумова – один из самых ярких символов русской женственности. Ее потрясающее обаяние использовал в своем фильме и Е. Матвеев. Фильм «Любовь земная» вышел в 1975 году и принёс Ольге Остроумовой новую волну успеха, который закрепило продолжение – картина «Судьба» (1977). Оба фильма были отмечены высокими наградами: Золотой медалью им. А. Довженко (1978) и Госпремией СССР (1979).
Первым фильмом «нового» кино стал телефильм В. Хотиненко «По ту сторону волков» (2002) – «мистический триллер», в котором Остроумовой отводилась небольшая, но интересная роль. Однако настоящим возвращением Ольги Остроумовой на экран стал первый отечественный телероман «Бедная Настя» (2003-2004). Сейчас Ольгу Михайловну можно увидеть в сериалах «Не родись красивой», «Капитанские дети».
Народная артистка России О.М. Остроумова - лауреат приза «Серебряная нимфа» в Италии (за роль в фильме «А зори здесь тихие…»), лауреат премии имени А. Довженко (1978), лауреат Государственной премии СССР (1979, за роль Мани Поливановой в дилогии Евгения Матвеева «Любовь земная» и «Судьба»), лауреат премии им. Станиславского (спектакль «Мадам Бовари»).
2011 Морпехи
2008-2009 Адмиралъ (Каменская-Омирова)
2008 Серебряный век - фильм-спектакль (Клавдия Тарасовна)
2008 Одна ночь любви (княгиня Урусова) озвучивание
2006 Карнавальная ночь-2, или 50 лет спустя (режиссёр Главного канала)
2006 Капитанские дети (Надя Гринёва, жена Валентина)
2006 Большие девочки (Надежда Николаевна Федорчук)
2005-2006 Не родись красивой (Маргарита Жданова)
2004 Я тебя люблю (Светлана Георгиевна, мать Глеба)
2004 Карусель (Екатерина Людвиговна)
2003-2004 Бедная Настя (Мария Долгорукая)
2003 Сын - короткометражный
2003 Зачем тебе алиби? (Ада Дмитриевна)
2003 Женщины в игре без правил (Мария)
2003 Желанная (Мария Григорьева в зрелости)
2003 Дни ангела (Алена Зуева)
2002 По ту сторону волков (медсестра Машенька)
2002 Джокеръ (Атуева)
2001 Новогодние приключения
1999 У врат царства - фильм-спектакль (Элина Карено)
1997 Не валяй дурака (Полина)
1997 Змеиный источник (директор школы Тамара Георгиевна)
1993 Уснувший пассажир (контрабандистка Галина)
1992 Прощальные гастроли (актриса Евгения Чепалина)
1992 Очень верная жена (Полина Иванова, мать Тани)
1990 Очарованный странник (Евгения Семёновна)
1989 Чаша терпения (Лиза)
1989 Женщины, которым повезло (Наташа Дружинина)
1989 Вдовий пароход - фильм-спектакль (Анфиса Громова)
1988 Зимняя сказка - фильм-спектакль
1987 Филер (Нина)
1987 Живой труп - фильм-спектакль (Елизавета Протасова)
1987 Дни и годы Николая Батыгина (Васена)
1987 Башня (Кара Семёнова)
1987 Фотография с женщиной и диким кабаном (озвучивание)
1986 Я сделал все, что мог (Анна Жилина)
1986 Время сыновей (Людмила Кордина, жена Александра)
1985 Сестра моя Люся (Клава)
1984 Столкновение (жена Наримантаса Рута)
1983 Отпуск по ранению - фильм-спектакль (Тоня)
1982 Не было печали (Женя)
1982 Безумный день инженера Баркасова (секретарша Баркасова Софочка)
1981 Василий и Василиса (Василиса)
1980 Тихие троечники (соседка Веденеевых Рая)
1980 Мелочи жизни (Наташа Бунина)
1979 Похищение «Савойи» (мама Тани Валентина Соколова)
1979 Гараж (дочь Смирновского Марина)
1979 Варвары - фильм-спектакль (племянница Богаевской Лидия)
1977 Хомут для Маркиза (мать «Редьки» Анна Ивановна)
1977 Судьба (Маня Поливанова)
1976 Мартин Иден - фильм-спектакль (Лиззи Конноли)
1976 Когда-то в Калифорнии - фильм-спектакль
1974 Любовь земная (Маня Поливанова)
1972 А зори здесь тихие... (Женя Комелькова)
1970 Море в огне (Юля Приходько)
1970 Город первой любви – киноальманах (комсомолка Нюра)
1968 Доживем до понедельника (Рита Черкасова)
Участие в документальных фильмах
2008 Владимир Высоцкий и Марина Влади. Последний поцелуй (голос за кадром)
2008 Воздух вдохновения
2008 Память о счастье
2007 Острова
2007 Станислав Ростоцкий
2006 Андрей Ростоцкий: последний романтик
