С 1998 года занималась лыжными гонками, а в июне 2004 года по совету тренера решила перейти в биатлон , которым занимается под руководством Иванова Валерея Владимировича.

Чемпионат мира по биатлону среди юниоров 2006 в американском Преск Айле стал для Ольги Вилухиной первым в ёё карьере. В индивидуальной гонке она заняла лишь 28 место, в остальных же завоевала полный комплект медалей. В спринте Ольга выиграла золото, в преследовании — бронзу, а в эстафете вместе с подругами по команде — серебро. Чемпионат мира годом позже в Мартеле стал для спортсменки не таким успешным. Она снова выиграла серебро в эстафете, а вот лучшим личным результатом стало 9-ое место в гонке преследования. На Чемпионате Европы в Банско успеха Ольга смогла добиться только в эстафете, выиграв золотую медаль, в личных же дисциплинах не смогла подняться на подиум, показав седьмое время в индивидуальной гонке и спринте и шестое в преследовании. На двух последующих чемпионатах она также смогла добиться успеха только в эстафетах : серебро в Кэнморе и золото в Нове Место. Самым успешным для Ольги стал Чемпионат в Уфе, где она стала четырёхкратной и абсолютной чемпионкой Европы среди юниоров, выиграв золотые медали во всех четырёх дисциплинах — спринте, преследовании, индивидуальной и эстафетной гонках. Это абсолютный рекорд чемпионатов Европы, которые проводятся с 1994 года. До Вилухиной никому из молодых спортсменок еще не удавалось выиграть столько наград в течение одного континентального чемпионата.
Дебют в Кубке мира

Успехи Ольги Вилухиной заставили наставников национальной команды обратить внимание на юное дарование, и Ольга получила от них приглашение выступить на этапе Кубка мира в Ханты — Мансийске. 27 марта 2009 года она дебютировала в спринтерской гонке. И дебют удался . Показав в спринте шестое время среди всех спортсменок и лучшее среди российских, Ольга попала в "цветочную церемонию".