Олеся Фаттахова родилась 13 февраля 1989 года в Калининграде. По отцу Олеся имеет татарские корни. В 1994 году в ДТП Олеся потеряла отца, и маме пришлось кормить семью с двумя детьми одной. Олеся и ее младший брат всячески помогали родительнице и с детства были приучены к самостоятельности.
На каникулы детей забирала в деревню бабушка, где они пололи картошку, пасли овец, плавали в реке и собирали грибы. Их мама была учительницей музыки, поэтому дети с ранних лет умели играть на музыкальных инструментах.
В седьмом классе после просмотра картины «Азазель» Олеся стала поклонницей актера Ильи Носкова. Ей захотелось узнать его в реальной жизни. Это стало первой мотивацией девушки на пути к будущей актерской карьере. В девятом классе Фаттахова перешла учиться в театральный класс, обучение в котором после получения аттестата помогло ей с легкостью поступить во ВГИК.
Уже в годы учебы Олеся стала ходить на пробы и высылать свое резюме режиссерам. В 2009 году она получала эпизодические роли в сериалах, но уже через год ей предложили исполнить главную роль в проекте «Ой, цветет калина», в котором актриса работала вместе с будущим супругом, студентом ГИТИСа Романом.
На четвертом курсе Олеся стала матерью. Но с рождением дочери девушка не стала останавливаться на достигнутом, а продолжила сниматься в кино.