Ольга Вилухина родилась 22 марта 1988 года в Межгорье (Республика Башкортостан).
С 10 лет она начала заниматься лыжными гонками под руководством Валерия Владимировича Иванова, который остается ее личным тренером до сих пор. В 16 лет она перешла в биатлон.
Впервые за сборную Ольга выступила в сезоне 2005/2006 на xемпионате мира в Преск-Айле, где выиграла спринт. Но самого главного успеха в своей юниорской карьере она добилась на чемпионате Европы-2009, проходившем в Уфе. В Башкирии Вилухина сумела выиграть все золотые медали.
Дебют на Кубке мира состоялся в марте 2009 года на этапе в Ханты-Мансийске. В дебютной спринтерской гонке Ольга заняла шестое место. В гонке преследования она откатилась на пятнадцатое место, а очки, набранные в этих двух гонках, позволили занять 65 место в общем зачете Кубка мира.