Спортсменка родилась 4 сентября 1990 года в городе Николаев, УССР.
В секцию фехтования 10-летнюю Ольгу Харлан привёл крёстный отец Анатолий Шликарь, который и стал её первым тренером. Из трёх видов оружия — сабля, шпага, рапира — она выбрала первый как самую скоростную дисциплину.
Окончила Николаевское училище физической культуры. Заслуженный мастер спорта Украины.
В 2004 году вошла в состав сборной Украины. Уже к 2009 году, как сказала сама Харлан в одном из интервью, превысила отметку 100. На чемпионатах Европы она выиграла 8 золотых медалей (6 индивидуальных, 2 командные), 7 серебряных (1 индивидуальная, 6 командных), 5 бронзовых (1 индивидуальная, 4 командных); на чемпионатах мира — 5 золотых (3 индивидуальных, 2 командные), 6 серебряных (2 индивидуальные, 4 командных), 2 бронзовые (1 индивидуальная, 1 командная). Кроме того, на её счету золотая медаль Европейских игр в командных соревнованиях и две Кубка мира.
Самым успешным стал 2008 год, когда украинские саблистки Галина Пундик, Ольга Харлан, Елена Хомровая и Ольга Жовнир стали олимпийскими чемпионками в составе сборной. На Играх-2012 в Лондоне Харлан завоевала бронзовую медаль в индивидуальных соревнованиях (олимпийской чемпионкой тогда стала россиянка Яна Егорян, а серебряным призёром — её коллега по команде Софья Великая). С Олимпиады-2016 в Рио-де-Жанейро украинская спортсменка привезла командное серебро и индивидуальную бронзу.
Вот как фехтовальщицу охарактеризовал президент Национального олимпийского комитета Украины олимпийский чемпион по прыжкам с шестом Сергей Бубка: «Ольга Харлан — уникальная спортсменка, которая в своём молодом возрасте уже покорила все спортивные вершины, но при этом не останавливается на достигнутом, а постоянно движется вперёд, к новым победам. Она упорно работает и, самое главное, действительно любит то, чем занимается. Несмотря на все свои достижения, Ольга — простой и искренний человек, настоящий пример для подражания».
Непродолжительное время Харлан занималась политикой. В 2010 году её избрали депутатом Николаевского городского совета от Партии регионов, в 2012 году баллотировалась в Верховную Раду по партийным спискам под номером 194, но не прошла в парламент. В марте 2014 года вышла из фракции Партии регионов в городском совете и участвовала в местных выборах в Киеве от Партии зелёных Украины, однако политсила не преодолела 3%-ный барьер.
Сотрудница Национальной академии Службы безопасности Украины.
Полный кавалер орденов «За заслуги» и «Ордена княгини Ольги».
В 2018 году Харлан раскритиковала указ Министерства молодёжи и спорта, согласно которому всем членам национальных команд страны запрещено участвовать в соревнованиях, проходящих на территории России. Она тогда заявила, что это распоряжение лишило её возможности выиграть на международном турнире «Московская сабля». По мнению Харлан, украинские спортсмены, наоборот, должны отстаивать свою честь на всех соревнованиях.
17 июня 2019 года выиграла золотую медаль чемпионата Европы в Дюссельдорфе.
