Олеся Белугина родилась 2 января 1984 года в городе Сердобск, Пензенская область. С раннего возраста занимается художественной гимнастикой. Воспитанница Пензенской областной специализированной детско-юношеской школы Олимпийского резерва по гимнастике. Первым тренером Олеси была О.А. Стебнева, заслуженный тренер Российской Федерации.

В 1998 году юную гимнастку включили в сборную России, а первые серьезные награды Олеся получила в 1999 году на Чемпионате России по художественной гимнастике: бронзовые медали в упражнении с булавами и в групповых упражнениях.

В 2001, 2003, 2006 годах становилась Чемпионом Европы в групповых упражнениях, а в 2002, 2003, 2005 завоевала титул Чемпиона Мира. Наивысшим спортивным достижением 20-летней спортсменки явилась золотая медаль XXVIII Олимпийских игр в городе Афины 2004 года.

В 2006 году окончила факультет физической культуры Пензенского государственного педагогического университета имени В. Г.Белинского. Получив диплом, спортсменка начала карьеру тренера. Затем вышла замуж, родила сына и снова продолжила тренерскую работу.

Одна из учениц спортсменки, Анастасия Близнюк, продолжила «золотой» путь тренера став Чемпионом Олимпиады 2012 года.

Выступала за спортивнивное общество «Динамо» города Пенза. Тренируется под руководством В. Иваницкой, Т. Васильевой. Являлась неоднократной победительницей международных соревнований серии «Гран-при».

За спортивные достижения Олеся Белугина удостоена почетного звания «Заслуженный мастер спорта по художественной гимнастике Российской Федерации».