As irmãs de Olga eram a Grã-Duquesa Tatiana, Maria e Anastasia. Ela também tinha um irmão, o czarevich Alexei da Rússia. O título de Olga (Velikaya Knyazhna Великая Княжна) é melhor traduzido como "Grande Princesa". Isto significava que Olga, como "Alteza Imperial", era mais graduada que outras Princesas na Europa que eram "Altezas Reais". A "Grã-Duquesa" tornou-se a mais conhecida tradução do título para o inglês a partir do russo. Os amigos e familiares de Olga geralmente a chamavam simplesmente de Olga Nikolaevna. Eles também a chamavam de "Olishka" ou "Olya". A rainha Vitória era sua bisavó. Olga era muito próxima de sua irmã Tatiana. Eles dividiam um quarto, vestidos de maneira semelhante, e eram conhecidos como "O Grande Par". As irmãs mais jovens, Maria e Anastasia, eram conhecidas como "O Pequeno Par".
Olga era conhecida por sua compaixão e gentileza de quando era jovem. Mas ela também tinha um temperamento rápido e muitas vezes falava o que pensava com clareza. Uma vez, quando era criança, ela ficou impaciente enquanto posava para um pintor de retratos e lhe disse: "Você é um homem muito feio e eu não gosto nem um pouco de você". Pierre Gilliard, seu professor de francês, disse que quando viu Olga pela primeira vez aos 10 anos de idade, ela era "muito justa, e com olhos brilhantes e maliciosos ... Ela me examinou com um olhar que parecia desde o primeiro momento estar procurando o ponto fraco da minha armadura, mas havia algo tão puro e franco (verdadeiro) sobre a criança que se gostava logo dela".
Os filhos do Czar viviam de forma muito simples. Eles dormiam em berços de acampamento duros sem travesseiros quando estavam saudáveis. Esta tradição havia sido iniciada no governo de Catarina, a Grande, quando ela obrigou seu neto Alexandre a fazê-lo pela primeira vez. Eles tomavam banhos frios pela manhã, e tinham que limpar seus quartos e fazer o trabalho de agulha. A maioria das pessoas que viviam com eles, incluindo criados, geralmente chamavam a Grã-Duquesa por seu primeiro nome, Olega Nikolaevna, ao invés de seu título ou "Sua Alteza Imperial". Entretanto, uma vez em visita a um museu onde estavam expostas as carruagens do estado, Olga ordenou a um dos criados que preparasse a maior e mais bela carruagem para sua viagem diária. Ela não foi obedecida. Ela também sentiu que as crianças mais velhas deveriam ser respeitadas. Quando lhe foi contada a história bíblica de José, ela sentiu pena dos irmãos mais velhos ao invés de José. Ela também simpatizou com Golias, em vez de Davi, na história de Davi e Golias. Olga adorava ler. Ao contrário de suas irmãs, ela também gostava do trabalho escolar. Pierre Gilliard disse que Olga tinha um "cérebro muito rápido", com "bons poderes de raciocínio" e "uma maneira muito independente, e um dom para repartir (rápido) e divertido (engraçado) (respostas)". Ela gostava de ler sobre política nos jornais. Olga também gostou de escolher livros a partir do que sua mãe lia. Quando foi encontrada lendo um livro antes que sua mãe o tivesse lido, Olga brincou que sua mãe devia esperar até que Olga se assegurasse de que era um livro adequado para ela ler.
