Родилась в Москве. При рождении была зарегистрирована отцом под именем Варвары, однако через три дня по требованию матери получила имя Ольги. Позднее родители разошлись, и дети (Оля и старшие сёстры Наташа и Елена) остались жить с отцом.
Детство Ольги Аросевой прошло за границей — в Париже, Стокгольме и Праге. В 1933 году семья вернулась в Москву.
В 1935 году состоялась встреча будущей актрисы со Сталиным на авиационном параде в Тушино, куда Олю и сестру Елену взял с собой отец. Сталин удостоил девочек своим вниманием и подарил Оле цветы. Об этом случае сёстры дали интервью в «Комсомольскую правду». В день рождения Сталина Оля попыталась отнести Сталину в Кремль подарок — голубую гортензию в горшке, но не была пропущена кремлёвской охраной.
В 1937 году отец был арестован и репрессирован. Матери удалось вернуть дочерей себе. После казни отца (в 1938 году) юная Ольга не побоялась написать Сталину письмо о том, что не верит в виновность отца, и, не получив ответа, решила не вступать в комсомол.
В школьные годы участвовала в спектаклях школьного драматического кружка, занималась в детской театральной студии Н. И. Ключникова. Была натурщицей у художника Николая Ромадина, который написал с неё две картины.
----
Карьера актрисы
С началом Великой Отечественной войны поступила в цирковое училище, затем, как и сестра Елена, в Московское городское театральное училище . Директором училища и художественным руководителем курса Ольги Аросевой был В. В. Готовцев — ученик К. С. Станиславского, благодаря которому актриса сыграла несколько небольших ролей во втором МХАТе. В кино актриса начала сниматься в конце 1940-х годов.
Окончить театральное училище не успела, поскольку в 1946 году была принята в труппу Ленинградского театра комедии под руководством Н. П. Акимова, который находился в то время на гастролях в Москве. При этом будущая актриса совершила подлог документов, предъявив диплом сестры, уже окончившей театральное училище. В том же году продолжила театральную карьеру в Ленинграде, где была занята в качестве артистки вспомогательного состава театра комедии. В 1950 году, после снятия Акимова с поста главного режиссера, покинула Ленинградский театр комедии, вернулась в Москву и перешла в Театр сатиры, где и работает по настоящее время (по состоянию на 2007 год). В 1969—1971 годах была актрисой Драматического театра на Малой Бронной.
За свою долгую и плодотворную артистическую карьеру играла в спектаклях, поставленных режиссёрами Н. В. Петровым, Б. И. Равенских, Э. П. Гариным, В. Н. Плучеком и др., много снималась в кино и на телевидении, полюбилась зрителям в роли пани Моники в телепередаче «Кабачок „13 стульев“».
----
Личная жизнь
Была замужем четыре раза. Первое замужество, продлившееся пять лет и бывшее, по утверждению самой актрисы, счастливым, относится к ленинградскому периоду жизни (1946—1950); первый муж был музыкантом и был старше её на 11 лет. Второй муж — артист Театра сатиры Юрий Хлопецкий, третий — певец Аркадий Погодин, четвёртый — актёр Владимир Сошальский. О своих браках актриса замечает:
"Это были мои официальные, нормальные браки. После них было много гражданских. Называть никаких имён не хочу. Могу только сказать, что это были драматурги, артисты, музыканты, художники и люди, не имеющие никакого отношения к искусству.
И всё же по-настоящему я прожила всю свою жизнь в одиночестве — все мои мужья, к сожалению, оказывались беспомощными, слабыми."
Ольга Аросева скончалась 13 октября 2013 года в одной из подмосковных клиник, в которой провела последние дни своей жизни.