Заслуженный мастер спорта России по биатлону. Серебряный призёр Олимпийских игр 2014 г. в спринте, бронзовый призёр чемпионата мира 2012 г. в гонке преследования. Трёхкратная чемпионка России (2013 г. - эстафета, 2014 г. - спринт, эстафета).
Родилась 22 марта 1988 г. (Солнечный, Башкирская АССР). С 1998 г. занималась лыжными гонками, а в июне 2004 г. решила перейти в биатлон к тренеру Валерию Владимировичу Иванову. Первым в спортивной карьере Ольги Вилухиной стал чемпионат мира по биатлону 2006 г. среди юниоров в американском городе Преск-Айле. В индивидуальной гонке она заняла 28 место, в остальных - полный комплект медалей: в спринте - золото, в преследовании — бронзу, в эстафете в составе команды — серебро. На чемпионате мира в следующем году в Мартелло (Италия) снова выиграла серебро в эстафете, а лучшим личным результатом стало 9-е место в гонке преследования. На чемпионате Европы в Банско (Болгария) выиграла золотую медаль в эстафете, в личных дисциплинах показала седьмое время в индивидуальной гонке и спринте, и шестое в преследовании. На двух последующих чемпионатах также добилась успеха в эстафетах: серебро в Кэнморе (Канада) и золото в Нове-Место (Чехия). Самым успешным оказался чемпионат в Уфе, где Ольга 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 г.
На этапах Кубка мира дебютировала 27 марта 2009 г. в спринтерской гонке в Ханты-Мансийске. Показав в спринте шестое время среди всех спортсменок и лучшее среди российских, попала в «цветочную церемонию».
К сезону 2009-2010 г.г. Ольга готовилась с главной командой страны. Но по состоянию здоровья не смогла отобраться на этапы Кубка мира, и тренерский штаб принял решение делегировать её на Кубок IBU.
Там дважды Ольга Вилухина становилась второй в спринте в Идре (Швеция) и в Риднау-валь Риданна (Италия). А на этапе Кубка IBU в австрийском Обертиллахе проиграла победителю всего 42 секунды. Участие в Кубке IBU для Ольги закончилось в немецком Альтенберге, где биатлонистка в спринте стала 17-й. От дальнейшего участия в гонках Кубка IBU Ольга была вынуждена отказаться по медицинским показаниям.
После выздоровления Ольга приняла участие в Первенстве России. Выиграв индивидуальную гонку в Уфе, спортсменка выполнила критерии отбора на чемпионат Европы., где в индивидуальной гонке она показала 15-е время, а в составе эстафетной четвёрки стала бронзовым призёром.
В следующем сезоне на этапах Кубка мира дебютировала в составе смешанной эстафетной команды и победила в Хохфильцене (Австрия). На следующем этапе в Оберхофе 4 января 2012 г. была замыкающей в женской эстафетной команде - с тем же итогом.
13 января 2012 г. на этапе в Нове-Место-на-Мораве Вилухина установила личный рекорд: 5-е итоговое место в спринте.
4 марта 2012 г. на чемпионате мира в Рупольдинге (Германия) Ольга Вилухина поднялась на подиум, заняв 3-е место в гонке преследования.
В сезоне 2012-2013 гг. в Эстерсунде (Швеция) заняла третье место в спринте и не опустилась ниже пятого в остальных двух личных гонках. Также Ольга Вилухина внесла решающий вклад в победу российской сборной в смешанной эстафете. Далее поднималась на подиум только в эстафетах: в Хохфильцене (Австрия) женская сборная России заняла третье место, затем последовали два «серебра» в Рупольдинге и Антерсельве (Италия).
16 марта 2013 года в гонке преследования в Ханты-Мансийске показала лучший результат за время выступлений в Кубке мира, поднявшись на вторую ступень подиума. Ханты-мансийский этап стал лучшим в карьере Ольги: «серебро» и два четвёртых места.
На Олимпийских играх в Сочи 2014 г. Ольга Вилухина завоевала серебряную медаль в спринте. Второе «серебро» выиграла в эстафете.
11 ноября 2016 г. Ольга Вилухина объявила о завершении спортивной карьеры.
