Родилась в Санкт-Петербурге. Музыкальный путь начала с пения в детском хоре Мариинского театра. Получив диплом хорового дирижёра, продолжила обучаться пению в Берлинской высшей школе музыки имени Ханса Эйслера, оперной студии Гамбургской государственной оперы и в Accademia Rossiniana в Пезаро (Италия).

Получила международное признание после победы на престижном конкурсе Пласидо Доминго Operalia. С тех пор является постоянным гостем самых известных оперных театров и концертных залов мира.

Выступала на сценах Метрополитен-оперы, Ковент-Гардена, Ла Скала, Венской государственной оперы, Берлинской государственной оперы, Королевского театра Мадрида, Gran Teatre del Liceu в Барселоне, Парижской национальной оперы и многих других, а также на престижных фестивалях в Зальцбурге, Баден-Бадене, Экс-ан-Провансе, Пезаро.

Сотрудничала с самыми известными дирижёрами и режиссёрами мира, в том числе с Робером Лепажем, чья постановка оперы «Соловей» Стравинского в Торонто в 2009 году подтвердила её статус одной из лучших сопрано современности.

Исполнила партию Марфы в спектакле Дмитрия Чернякова «Царская невеста», который был показан в сезоне 2013–2014 сначала в Берлинской государственной опере, а затем в Ла Скала. В 2017 году исполнила главную партию Лейлы в оперном дебюте Вима Вендерса в опере Бизе «Искатели жемчуга» под музыкальным руководством Даниэля Баренбойма.

В программе сольных выступлений — концерт под Эйфелевой башней на праздновании Дня взятия Бастилии перед 600 тыс. зрителей с международной трансляцией. В Северной Америке Ольга Перетятько исполнила «Четыре последние песни» Штрауса в Кеннеди-центре в Вашингтоне в сопровождении Национального симфонического оркестра. С этим же репертуаром выступила с Симфоническим оркестром Монреаля и маэстро Кентом Нагано в Китае. В 2018 году дала сольный концерт в Ла Скала.

В прошлом сезоне дебютировала в партии Электры в опере Моцарта «Идоменей», а затем выступила в партии Лиу в опере Пуччини «Турандот» в Берлинской государственной опере. Также дебютировала в партии Маргариты в опере Гуно «Фауст» на сцене Гамбургской государственной оперы и спела Анну Болейн в Teatro Colón в Буэнос-Айресе. На оперном фестивале Россини в Пезаро исполнила главную партию в новой постановке оперы «Аделаида Бургундская». Концерты певицы прошли на сценах Амстердама, Цюриха, Люцерна, Страсбурга, Брюсселя, Неаполя, Таллина и Сингапура.

В сезоне 2023–2024 дебютировала в партии Нормы в Гамбургской государственной опере. Кроме того, вернулась к одной из своих коронных партий в опере «Турок в Италии» Россини в постановке Цюрихского оперного театра. В Берлинской государственной опере вышла на сцену в партиях Электры в опере Моцарта «Идоменей» и Лейлы в «Искателях жемчуга» Бизе. Представила новую концертную программу «Моцарт и Сальери» с Датским камерным оркестром под управлением Адама Фишера на Неделе Моцарта в Зальцбурге.

Выпустила шесть альбомов на Sony Classical и получила множество престижных наград, в том числе Opus Klassik (2018), Echo Klassik (лучший сольный альбом, 2015) и премию имени Франко Аббьяти от итальянских музыкальных критиков. В 2021 году появился новый сольный альбом «Песни для Майи», посвящённый рождению дочери. Этот альбом, выпущенный лейблом «Мелодия», объединяет 23 колыбельные из разных уголков мира, отобранные певицей лично и исполненные на языке оригинала.