Родилась в 1960 году в городе Бугульме (Татарская АССР).

В 1979 году окончила дирижёрско-хоровое отделение Московского государственного института культуры. С 1979 по 1982 год работала учителем пения в школах №578 и №91 города Москвы.

В 1987 году окончила исторический факультет Московского государственного заочного педагогического института. С 1982 года преподавала отечественную историю в старших классах в школе №91 города Москвы.

В 1987 году поступила в очную конкурсную аспирантуру Института истории Академии наук СССР. В 1990 году защитила кандидатскую диссертацию по теме «Советское государство и патриотическая деятельность Русской православной церкви в годы Великой Отечественной войны».

С 1990 по 2004 год работала в Институте истории Академии наук СССР. Прошла путь от младшего научного сотрудника до ведущего научного сотрудника и руководителя Центра истории религии и церкви Института российской истории РАН.

В 1999 году в ИРИ РАН защитила докторскую диссертацию на тему: «Русская православная церковь в политике Советского государства в 1943–1948 гг.».

В 2002 году возглавила кафедру религиоведения Российской академии государственной службы при Президенте.

В 2007 году окончила Дипломатическую академию МИД России по специальности «международные отношения».

В 2012 году назначена на должность заместителя директора департамента культуры Правительства.

В 2013 году назначена на должность заместителя начальника Управления Президента по общественным проектам, где курировала вопросы, связанные с реализацией общественных проектов в области образования, осуществляла взаимодействие с общественными объединениями и иными структурами гражданского общества.

19 августа 2016 года указом Президента назначена Министром образования и науки.

18 мая 2018 года назначена Министром просвещения Российской Федерации.

В 2005 году О.Ю.Васильевой присвоено учёное звание профессора, под её руководством подготовлены и защищены три докторские и свыше 25 кандидатских диссертаций.

Автор более 160 научных статей и восьми монографий.