Родилась 10 мая 1980 года в Ленинграде; внебрачная дочь Сергея Сухорученкова, который через несколько месяцев после рождения дочери стал олимпийским чемпионом в велоспорте на московской Олимпиаде 1980 года. Росла без отца и познакомилась с ним только в 16 лет[1][2].
В раннем детстве занималась горными лыжами, в 10 лет ушла в велоспорт. Поскольку ещё в роддоме будущей спортсменке был поставлен диагноз «неоперабельный порок сердца», Ольге приходилось преодолевать сопротивление врачей, чтобы продолжать тренировки[3][4].
Окончила факультет физической культуры РГПУ имени А. И. Герцена. В 1997 году выиграла на чемпионате мира в Сан-Себастьяне индивидуальную гонку на шоссе среди юниоров. В том же году стала чемпионкой мира среди юниоров и на треке.
В 1998 году также среди юниоров стала второй в индивидуальной и групповой гонках на шоссе и групповой гонке на треке. В 2001 году взяла «бронзу» в индивидуальной гонке на чемпионате Европы (U23), а в 2002 году стала чемпионкой континента (U23) в данной дисциплине.
В 2006 году ушла из велоспорта, но через три года вернулась[4]. В течение перерыва рассматривала возможность профессионально заниматься мотокроссом[3].
В 2012 году выиграла чемпионат России и отобралась на свою первую Олимпиаду. На Олимпийских играх 2012 в Лондоне, в групповой гонке, которая прошла при сильном дожде, Ольга сумела к концу уйти в отрыв вместе с двумя спортсменками, которые были значительно моложе её. Хотя она не смогла составить им конкуренцию на финише, но завоевала бронзовую медаль. На той Олимпиаде завоевала ещё одну бронзовую медаль — в индивидуальной гонке.
В июле 2014 года стало известно, что в допинг-пробе, взятой у Ольги Забелинской в мае того же года в Колумбии, был обнаружен запрещенный препарат — октопамин[5][6]. Спортсменка отрицала обвинения в приёме допинга[7]. По итогам расследования антидопинговая комиссия Федерации велосипедного спорта России признала Забелинскую невиновной в употреблении запрещенных веществ[8]. В свою очередь, UCI подал протест на решение ФВСР, что грозило разбирательством в Спортивном арбитражном суде (CAS)[9].
Ради продолжения спортивной карьеры в феврале 2016 года Забелинская согласилась на досудебное урегулирование спора. По условиям мирового соглашения, предложенного UCI, спортсменка признает факт нахождения в её организме запрещенного вещества и принимает санкции UCI, в соответствии с которыми она не выступала на соревнованиях на протяжении 18 месяцев. В свою очередь, UCI снял с Забелинской все обвинения и финансовые претензии, обязуясь больше не возвращаться к ним, и допустил спортсменку до участия в гонках[10].
Участие спортсменки в Олимпийских играх в Рио-де-Жанейро было под вопросом из-за решения МОК не допускать к участию в Играх российских спортсменов, имевших когда-либо допинговую историю. Только после того, как CAS отменил его, Забелинская получила шанс выступить на соревнованиях[11]. В итоге она завоевала серебряную медаль в индивидуальной гонке с раздельным стартом, преодолев дистанцию в 29,7 км за 44 минуты 31,97 секунды[12]. Спортсменка отстала от чемпионки — Кристин Армстронг — на 5,55 секунд[13].
В июле 2018 года Ольга Забелинская получила узбекистанское гражданство, а также право выступать за Узбекистан. Как следствие, она потеряла возможность участвовать в чемпионатах мира 2018 и 2019 годов[14].
Спортсменка объяснила свой переход желанием выступить на Олимпийских играх в Токио. Забелинская считает, что её участие под российским флагом может оказаться невозможным из-за последствий допинговых скандалов[15].
Уже в августе 2018 года Ольга Забелинская была заявлена для участия в составе сборной Узбекистана на Азиатских играх 2018 в Индонезии[16]. Однако Олимпийский совет Азии не допустил её к участию в соревнованиях. По правилам организации, спортсмен не может выступать на Азиатских играх в течение трёх лет после смены спортивного гражданства[17]. Не согласившись с решением, Забелинская подала иск в Спортивный арбитражный суд, но он был отклонен[18][19].
Медаль ордена «За заслуги перед Отечеством» II степени (13 августа 2012 года) — за большой вклад в развитие физической культуры и спорта, высокие спортивные достижения на Играх XXX Олимпиады 2012 года в городе Лондоне (Великобритания)[28].
