Олеся Железняк родилась 11 ноября 1974 года в Москве.
В детстве занималась в хореографической студии.
В 1999 году окончила Российскую академию театрального искусства (курс Марка Захарова) и была принята в труппу Московского театра имени Ленинского комсомола. Первым её спектаклем был «Варвар и еретик». Стала популярной после успешного кинодебюта в фильме «Ландыш серебристый».
Олеся Железняк участвовала в шоу «Ледниковый период-2» в паре с Максимом Марининым, была ведущей проекта телеканала НТВ «Ты суперстар!».
В 2015 году дублировала роль Печали в мультипликационном фильме «Головоломка».
