Ольга Вилухина родилась 22 марта 1988 года в городе Межгорье, Руспублики Башкортостан. Родители спортсменки работали на ответственной и нелегкой работе. Отец, Геннадий Викторович Вилухи,н занимал должность инженера-строителя. Мать спортсменки была обычным оператором в местной котельной. Сначала Ольга Вилухина занималась лыжным спортом, куда ее привели родители. Но в этом спорте у девочки особо ничего не сложилось, и ей предложили заняться биатлоном. Именно переход в биатлон был знаковым событием в жизни спортсменки.

В школе биатлонистка Вилухина училась хорошо, в аттестате оценки были не ниже четверок. Девушка очень любит читать, любовь к книгам появилась еще с детства. На сегодняшний день своей любимой книгой она считает роман «Одиннадцать минут» Паоло Коэльо.

Тренером спортсменки стал Валерий Иванов. Первой и знаковой победой для Ольги была поездка на Чемпионат мира по биатлону. Он проходил в американском городе Преск-Айле в 2006 году. Девушке удалось завоевать множество медалей. Не сложилось у Вилухиной только с индивидуальной гонкой, на которой она смогла подняться лишь на 26 место. Это была первая победа в серьезном соревновании, где биатлонистка сражалась с сильными спортсменками мирового уровня. На тот момент в биатлоне Вилухина выступала всего лишь два года.

После Ольга отправилась на Чемпионат мира по биатлону, который проходил в Мартелло. Ей не удалось повторить свой предыдущий триумф. Вилухина завоевала только серебряную медаль в эстафете.

Самым удачным в юниорской спортивной карьере был Чемпионат Европы, который проходил в Уфе. Ольга Вилухина стала четырёхкратной чемпионкой Европы среди юниоров. Девушке удалось завоевать золотые медали во всех четырёх этапах соревнований. Последней в истории спортсменкой, которая смогла добиться таких же высот, была чемпионка в 1994 году. 

Успехи юной спортсменки заметили и представители национальной команды. Они предложили биатлонистке принять участие в этапе Кубка мира в Ханты-Мансийске. Ольга вошла в шестерку лучших спортсменок. Вилухина вошла в состав сборной России.

Уже в составе сборной девушка отправилась на сборы в Оберхов. Неожиданно спортсменка заболела. Ее самочувствие резко ухудшилось. Врачи долго не могли понять, что с девушкой: гемоглобин резко подскочил, общее состояние ухудшалось. На некоторое время Вилухина прервала подготовку к соревнованиям.

После недуга Вилухина дважды занимала лидирующие места в спринтах, которые проходили в Швеции и Италии. На этапе Кубка IBU Ольга лишилась призового места из-за невнимательности. Спортсменка забыла надеть номер, и пока помощник бегал за ним, биатлонистка стартовала с задержкой в 40 секунд. Именно эти 40 секунд и отделили Ольгу от победительницы.

Сезон в 2011-2012 также принес Ольге множество побед. В Хохфильцене Вилухина одержала победу в смешано-эстафетной команде. Она заняла третье место в гонке на Чемпионате мира в Рупольдинге.

На Кубке мира в 2013 году Вилухина поднялась на второе место, показав достойный съезд. 

На Олимпиаде в Сочи особых надежд на победу Ольги никто не возлагал. Ведь 25-летняя биатлонистка отправилась на Олимпийские Игры впервые в жизни. И каково было удивление, когда 10 февраля в гонке на 7,5 километров Ольга Вилухина выиграла серебряную медаль.

Уже с самого начала соревнований россиянка вела себя уверенно и изо всех старалась не уступать олимпийской чемпионке Анастасии Кузьминой из Словакии. Вилухина отлично отстрелялась на всех рубежах, но проиграла Кузьминой в скорости. В итоге, Вилухина вторая.