Olga Khokhlova nació el 17 de junio de 1891 en la familia del coronel del Ejército Imperial Ruso Stepan Vasilievich Khokhlova y su esposa Lydia Zinchenko en la ciudad de Nizhyn. Quería convertirse en bailarina desde el momento en que visitó Francia y vio a Madame Schroesson. Estudió en San Petersburgo en una escuela de ballet privada.
Desde 1915, Olga se convirtió en bailarina en los Ballets Russes de Sergei Diaghilev.
El 18 de mayo de 1917 bailó en el estreno del ballet Parade en el Teatro Chatelet. El ballet fue creado por Sergei Diaghilev, Eric Satie y Jean Cocteau, con Pablo Picasso a cargo del vestuario y la escenografía. Poco después de conocerse, el grupo se fue de gira por Sudamérica y Olga se fue con Picasso a Barcelona. El artista la presentó a su familia. Al principio, su madre se alarmó por la decisión de su hijo de casarse con un extranjero, por lo que el artista pintó un retrato de Khokhlova con un vestido español para su madre. Más tarde regresaron a París y comenzaron a vivir juntos en una casa en Rue Beuti.
Olga y Pablo se casaron el 18 de junio de 1918 en París en la Catedral Ortodoxa de Alexander Nevsky. Jean Cocteau y Max Jacob fueron testigos de la boda. Después de la boda, y hasta su muerte, llevó el nombre de Picasso. Después del matrimonio, ante la insistencia de su esposo, detuvo su carrera de ballet.
En julio de 1919, fueron a Londres para el próximo estreno del Ballet Ruso: el ballet El sombrero de tres picos, para el que Picasso creó el vestuario y la escenografía. El ballet también se representó en la Alhambra de España y fue un gran éxito en la Ópera de París en 1919. Los esposos de Picasso estaban felizmente casados y participaban a menudo en eventos públicos y rotaban en los círculos más altos de Francia.
El 4 de febrero de 1921, Olga y Pablo tuvieron un hijo, Paulo (Pavel, Paul).
Desde 1927, la relación de los cónyuges comenzó a deteriorarse rápidamente. En 1927, Picasso comenzó a salir con la francesa Marie-Thérèse Walter, de 17 años. En 1935, Olga se enteró por un amigo sobre la aventura de su esposo y también que María Teresa estaba esperando un hijo. La hija de Picasso y Walter nació en 1935. Llevándose a Paulo con ella, Olga rompió inmediatamente la relación con su esposo, se fue al sur de Francia y solicitó el divorcio. Picasso se negó a dividir la propiedad en partes iguales, como exige el contrato de matrimonio celebrado entre ellos, por lo que Olga siguió siendo su esposa legal hasta su muerte. Olga Khokhlova hasta su muerte se consideraba la esposa legal de Pablo y mantenía correspondencia familiar con él, según las memorias de Francoise Gilot.
La hermana mayor, Nina Stepanovna Khokhlova, estaba casada con Vladimir Stepanovich, teniente general de las tropas de tanques de Tamruchi.
Olga Stepanovna Picasso murió de cáncer en 1955 en Cannes y fue enterrada en el cementerio local Grand Jas.