Oļesja Petrova dzimusi Sanktpēterburgā, absolvējusi Sanktpēterburgas Rimska-Korsakova Valsts konservatoriju (prof. Irinas Bogačevas klase). No 2007. gada bijusi Sanktpēterburgas konservatorijas Operas un baleta teātra soliste.

Viņa ieguvusi 2. vietu XI Starptautiskajā Čaikovska konkursā (Maskava, 2007) un 2. vietu Starptautiskajā Gaļinas Višņevskas konkursā (Maskava, 2006), kā arī iekļuvusi prestižā BBC konkursa Cardiff Singer of the World finālā (2011).

2018./2019. gada sezonā Oļesja Petrova Metropolitēna operā Ņujorkā dziedās Ulrikas lomu operā “Masku balle” un Amnerisas lomu operā “Aīda” kopā ar Aleksandru Antoņenko. Dziedātājas debija Metropolitēna operā notika  2013./2014. gada sezonā Madlonas lomā Umberto Džordano operā „Andrē Šenjē”. 

Oļesja Petrova uzstājusies prestižos opernamos un koncertzālēs Eiropā, ASV, Dienvidamerikā, Korejā, Ķīnā un Japānā. Viņas repertuārā ir Fenēna „Nabuko”, Marfa “Hovanščinā”, Končakovna “Kņazā Igorā”, Lelis “Sniegbaltītē”, Ļubaša “Cara līgavā”, Amnerisa „Aīdā” Bangkokā, Karmena, Olga „Jevgeņijā Oņeginā”, Grāfiene un Poļina „Pīķa dāmā”, Madalēna „Rigoleto”, Johanna „Orelānas jaunavā”, Sedlijas kundze „Pīterā Graimsā”, Ulrika „Masku ballē” un citas lomas.

Viņa ir ļoti pieprasīta koncertdziedātāja ar plašu repertuāru, kas ietver Baha, Pergolēzi, Mocarta, Bēthovena, Verdi, Berlioza, Vāgnera, Mālera, Prokofjeva kantātes un oratorijas.

 Latvijas Nacionālajā operā Oļesja Petrova dziedājusi Azučenas lomu operā “Trubadūrs” un Amnerisas lomu operā “Aīda”, kā arī piedalījusies vairākos Galā koncertos.