В 1981 году окончила с отличием Химический факультет МГУ.

Член-корреспондент РАН — с 2006 года, академик РАН — с 2016 года по отделению биологических наук.

Всю жизнь проработала на химическом факультете МГУ. В 1991 защитила кандидатскую, а в 1997 докторскую диссертацию по специальности биоорганическая химия. С 2009 года возглавляет кафедру химии природных соединений химического факультета МГУ, а с 2011 также и отдел структуры и функции РНК НИИ физико-химической биологии имени А. Н. Белозерского МГУ. 

О. А. Донцова также руководит отделом функционирования живых систем ИБХ РАН и является профессором Сколковского университета науки и технологий. Является заместителем академика-секретаря отделения биологических наук, член отделения биологических наук. Член Совета РФФИ, член Совета по науке и образованию при Президенте РФ.

Работа О. А. Донцовой связана с исследованием РНК-белковых комплексов. Под ее руководством проходило изучение структурно-функциональной организации рибосомы, молекулярной фабрики, синтезирующей белки. Открыта функциональная роль генов, отвечающих за модификацию рибосом. Создана система поиска новых антибиотиков, исследован механизм действия нескольких новых ингибиторов биосинтеза белка. Под руководством О. А. Донцовой изучаются необычные функции компонентов теломеразы, фермента, проводящего удлинение концов эукариотических хромосом.  

Подготовила 17 кандидатов и 4 докторов.

Имеет 172 публикации.

Является редактором научных изданий и членом редколлегии научных журналов: Biochimie (редактор), Acta Naturae (член редколлегии), Молекулярная биология (член редколлегии)

Награды: Премия имени А.Н. Белозерского РАН, 2016.