Ольга родилась в 1923 в деревне Лапшино, которая сейчас вошла в состав Йошкар-Олы. Закончила городскую школу, в 1939 году поступила на рабфак Марийского пединститута. На рабочих факультетах — рабфаках — готовили к поступлению в вуз, учили там от двух лет. В это время девушка работала в Люльпанском детском доме.
С самого начала войны Ольга решила пойти на фронт сражаться с врагом. Она отучилась на курсах медсестер, и в 1942 году была направлена в армию. После краткой подготовки на специальных партизанских курсах, Ольгу откомандировали в Белоруссию. Там, в тылу врага партизанское движение играло особенно важную роль в противостоянии немецко-фашистским захватчикам. Девушка стала медсестрой 1-й Белорусской партизанской бригады, которой командовал «батька Минай» — бывший директор Витебской картонной фабрики Минай Шмыёв.
В 1942 году положение партизан было трудным, фашисты активно боролись с ними, постоянно устраивали карательный экспедиции. Несмотря на опасность, которой подвергались партизаны, Ольга добилась, чтобы ее из медсестер перевели в разведку. Девушка, переодетая в крестьянскую одежду, буквально под носом у врага собирала сведения, которые были нужны отрядам для выполнения боевых задач.
В феврале 1943 года фашистские оккупанты предприняли крупную операцию, попытавшись ликвидировать партизан. Против нескольких отрядов батьки Миная были направлены две дивизии, танки, авиация. В окружение были взяты и партизаны, и мирные жители, кольцо сжималось. Партизанские командиры приняли решение прорываться из окружения с боем. Среди других смельчаков в группе прорыва была и комсомолка Тихомирова. Для многих партизан этот бой стал последним, ценой своей жизни они спасали своих товарищей и мирных советских граждан.
В сложный момент боя, когда погиб командир отряда, командование на себя взяла наша отважная землячка. Раненая в обе руки, Тихомирова продолжала вести отряд под пулями врага. Осколком снаряда ей повредило ноги. Ольга Тихомирова умерла от ран на руках у бойцов-партизан, ей было всего двадцать лет. Отряд смог прорвать блокаду и вывести людей из окружения.
Похоронили Ольгу в братской могиле около деревни Козловичи в Витебской области.
И только через 15 лет, в 1958 году были открыты документы, проливающие свет на партизанское движение, и Ольгу Тихомирову представили к награде. Ей был посмертно присвоен орден Отечественной войны I степени.
Именем Ольги Тихомировой названа улица в Йошкар-Оле — часть ее бывшей родной деревни. Школа, в которой она училась (после войны ей был присвоен № 2) также получила ее имя.
