Дочь известного одесского журналиста и изобретателя Михаила (Моисея) Филипповича Фрейденберга и Анны Иосифовны Пастернак — сестры художника Л. О. Пастернака. Двоюродная сестра и первая любовь Бориса Пастернака.
После окончания гимназии в Петербурге (1909) Фрейденберг из-за национальной процентной квоты для евреев не смогла поступить на Высшие женские курсы, однако год слушала там лекции. В 1910—1914 занималась самообразованием, изучала иностранные языки, путешествовала по Европе. После начала мировой войны возвратилась в Россию, в ноябре 1914 стала сестрой милосердия.
Окончила классическое отделение Петроградского университета (1923), защитила магистерскую диссертацию о происхождении греческого романа (1924). В 1920—1930 гг. сотрудничала с Н. Я. Марром и И. Г. Франк-Каменецким (коллективный сборник «Тристан и Исольда», Л., 1932).
В 1932 организовала в Ленинградском университете первую советскую кафедру классической филологии и до 1950 заведовала ею (с перерывом на годы войны). В 1935 защитила докторскую диссертацию «Поэтика сюжета и жанра (период античной литературы)». Опубликованная книгой (1936), диссертация подверглась жестокой идеологической критике в правительственной газете «Известия», книга была изъята из продажи.
Ольга Фрейденберг пережила блокаду Ленинграда.
Инспирированный верховной властью разгром марризма и борьба с космополитизмом повлекли за собой в 1950 увольнение Ольги Фрейденберг из университета и снова закрыли для исследовательницы возможность публиковаться. Подавляющая часть ее трудов (8 монографий и несколько десятков статей) осталась в рукописях, их печатание продолжается.
