Во время Первой мировой войны Ольга Николаевна, вместе с матерью и сестрами, работала сестрой милосердия, прошла специальное обучение и участвовала в тяжелых операциях, ухаживала за ранеными, делала перевязки и даже мыла ноги солдатам, чтобы предотвратить заражение. Она старалась не выделяться своим положением и была деликатна с больными. Ольга также занималась сбором пожертвований и отдавала свои сбережения на нужды госпиталей.
В 1917 году Ольга серьезно заболела — перенесла корь и тиф, узнала о революции только после отречения отца. После выздоровления оставалась с семьей под арестом, преподавала английский язык сестрам и брату. Перед отъездом в Сибирь взяла с собой книги, иконы и дневники, в которых хранила воспоминания о счастливых временах.
В Тобольске и Екатеринбурге Ольга продолжала заниматься рукоделием, ухаживала за больным братом и играла на рояле. В ночь на 17 июля 1918 года была расстреляна вместе с семьей в Екатеринбурге. В 1981 году и в 2000 году Ольга Николаевна и вся царская семья были канонизированы Русской Православной Церковью.