Ольга Геннадьевна Вилухина родилась 22 марта 1988 года в Межгорье, Башкирская АССР.

Ее отец, Геннадий Викторович - инженер строительной компании, а мать, Ольга Викторовна - оператор в котельной. Кроме Ольги в семье выросла еще одна дочь Злата.

В 1998 году Ольга Вилухина начала посещать секцию лыжных гонок, где занималась до 2004 года.

В 2004 году она перешла в биатлон. Первым тренером Ольги стал Иванов Валерий.

В 2006 году Ольга дебютировала на Чемпионате мира по биатлону среди юниоров в Преск-Айле. В индивидуальной гонке она пришла лишь 28, а вот в спринте и преследовании завоевала золото и бронзу соответственно.

На Чемпионате мира в 2007 году в Валь-Мартелло Ольга лишь в одной гонке вошла в десятку, а с 6 местом спринте и 4 местом в преследовании биатлонистка выступила на Чемпионате мира 2009 в Кенморе.

В том же году Ольга дебютировала на Кубке мира по биатлону, она приняла участие на последнем этапе в Ханты-Мансийске. Ольга завоевала 6 место в спринте и 15 в преследовании.

Очень успешным стал для Ольги Чемпионат Европы 2009 года в Уфе, где Ольга пришла первой и в спринте, и в индивидуальной гонке, и в преследовании, а также вместе со сборной завоевала золото в эстафете.

В сезоне 2009/2010 Вилухина принимала участие в Кубке IBU, где по итогам сезона завоевала 14 место.

В сезоне 2010/2011 Ольга приняла участие лишь в первых трех этапах Кубка мира, и то не во всех гонках, а остальные пропустила из-за проблем со здоровьем.

Сезон 2011/2012 Ольга начала не очень удачно, на первом этапе в Эстерсунде лучшим результатом для нее стало 24 место в индивидуальной гонке. Затем последовали 7 место в спринте и 6 в преследовании в Хохфильцене.

На Чемпионате мира в 2012 года в Рупольдинге Ольга заняла третье место в преследовании, а в остальных гонках входила в десятку лучших.

По итогам сезона Ольга заняла 11 место в общем зачете.

Сезон 2012/2013 Вилухина начала с бронзы в спринте и золота в смешанной эстафете. Затем последовали не удачные выступления в Хохфильцене. На следующем этапе в Поклюке Ольга заняла 10 место в преследовании и 8 в масс-старте, а в Оберхофе заняла 7 место в спринте и 15 в преследовании.

Чемпионат мира 2013 в чешском городе Нове-Место не принес Ольге ни одной медали, хотя в спринте и в индивидуальной гонке она была очень близка к призовым местам.

На последнем этапе Кубка мира в Ханты-Мансийске Вилухина завоевала серебро в преследовании и четвертые места в спринте и масс-старте. В основном зачете Кубка мира Ольга стала двенадцатой.

Первый этап Кубка мира в Эстерсунде Ольга пропустила, а во втором в Хохфильцене лучшим для нее стало 20 место в преследовании. В Анси биатлонистка пришла пятой в спринте и девятой в преследовании, а в Оберхоф пятой в спринте и девятой на масс-старте.

Затем заняла 10 место в Антхольце в спринте и 16 в преследовании. На Олимпиаде 2014 в Сочи Ольга заняла второе место в спринте, а на гонке преследования пришла лишь седьмой.