Мать Ольги Федоровны Берггольц — Мария Тимофеевна Берггольц, отец  — Фудор Христофорович Берггольц, младшая сестра — актриса Мария Берггольц. Детские годы прошли на окраине Невской заставы. С 1918 по 1920 год жила с семьей в Угличе в бывших кельях Богоявленского монастыря. Училась в трудовой школе, которую окончила в 1926 году.
Первое стихотворение поэтессы «Ленин» было напечатано в газете «Красный ткач» в 1925 году, первый рассказ «Заколдованная тропинка» — в журнале «Красный галстук». В 1925 году пришла в литературное объединение рабочей молодежи «Смена». Учились на Высших курсах при Институте истории искусств.
С 1930 года работала в детской литературе, печаталась в журнале «Чиж», издала свою первую книгу — «Зима-лето-попугай».
Поступила на филологический факультет Ленинградского университета. Преддипломную практику проходила во Владикавказе летом — осенью 1930 года в газете «Власть труда». Освещала строительство ряда народнохозяйственных объектов, в частности, Гизельдонской ГЭС. 
Окончив в 1930 году университет, уезжает в Казахстан, работая корреспондентом газеты «Советская степь», о чем рассказала в книге «Глубинка». Вернувшись в Ленинград, работала редактором в газете завода «Электросила». В 1933—1935 годах выходят очерки «Годы штурма», сборник рассказов «Ночь в Новом мире», первая «взрослая поэтическая книга» — сборник «Стихотворения», с которой начинается поэтическая известность Берггольц.
В 1934 году принята в Союз писателей СССР, откуда была исключена 16 мая 1937 года. Вновь восстановлена в июле 1938, а затем, в связи с арестом, снова исключена.
В начале 1937 года Берггольц была вовлечена в «дело Авербаха», по которому проходила свидетельницей. К середине 1938 года все обвинения с нее были сняты. Но через полгода, 13 декабря 1938 года, Берггольц арестовали по обвинению «в связи с врагами народа», а также как участника контрреволюционного заговора против Ворошилова и Жданова. Проходила по делу «Литературной группы», которое было сфальсифицировано бывшими работниками УКГБ по Кировской области.
3 июля 1939 года Ольга Берггольц была освобождена и полностью реабилитирована.
В феврале 1940 года Берггольц вступила в ВКП(б).
В годы Великой Отечественной войне Ольга Берггольц оставалась в осажденном Ленинграде. С августа 1941 года работала на радио, почти ежедневно обращалась к мужеству жителей города.
Отец поэтессы, Федор Берггольц, формально за отказ стать осведомителем в марте 1942 года был «выслан» из блокадного Ленинграда органами НКВД в Минусинск. В это время Берггольц создала свои лучшие поэмы, посвященные защитникам Ленинграда: «Февральский дневник», «Ленинградскую поэму». В 1943 году писала сценарий фильма о бытовых отрядах блокадного города, в итоге переработанный в пьесу «Они жили в Ленинграде».
27 января 1945 года вышел радиофильм «900 дней», в котором использовались разные фрагменты звукозаписей, объединенные в одну запись. Ольга Берггольц, в числе прочих, работала над этим радиофильмом, читала там стихи.
Несмотря на все заслуги, в конце мая 1945 года на Х пленуме Союза писателей СССР была подвергнута критике.
После войны выходит книга Берггольц «Говорит Ленинград» о работе на радио во время войны. Также она написала пьесу «Они жили в Ленинграде», поставленную в театре Таирова.
В 1948 году в Москве выходит «Избранное», спустя 10 лет — Собрание сочинений в двух томах.
В 1950 году в журнале «Знамя» было опубликовано главное произведение Ольги Берггольц — поэма «Первороссийский», через год отмеченная Сталинской премией.
В 1952 году — цикл стихов о Сталинграде. После командировки в Севастополь создала трагедию «Верность». Новой ступенью в творчестве Берггольц явилась прозаическая книга «Дневные звезды», позволяющая понять и почувствовать «биографию века», судьбу поколения.
В середине 1950-х — начале 1960-х несколько стихотворений Берггольц были распространены в самиздате. В 1960-е вышли ее поэтические сборники «Узел», «Испытание», в 1970-е — «Верность», «Память».
В 1960 году вышла книга «Дневные звезды».
Последняя напечатанная новая книга — сборник стихотворений «Память», вышедший в 1972 году в Москве.