Olga Khokhlova vient en France dans sa jeunesse et décide de devenir ballerine après une représentation de la danseuse Shroessont. Elle entre par la suite dans les Ballets russes dirigés par Serge Diaghilev. Elle rencontre Picasso au cours d'une représentation du ballet Parade en mai 1917 pour lequel l'artiste a fait les décors et les costumes. Elle quitte les ballets lors d'une tournée pour vivre avec Picasso et l'épouser le 12 juillet 1918 dans la cathédrale orthodoxe Saint-Alexandre-Nevsky de la rue Daru à Paris. Jean Cocteau, Guillaume Apollinaire et Max Jacob sont les témoins de Picasso. Le 4 février 1921 elle donne naissance à Paulo qui mourra en 1975.
Durant toutes leurs années de vie commune Olga Khokhlova sera un modèle important de Picasso, notamment pour le célèbre Olga Khokhlova à la mantille.
La relation avec Picasso se dégrade progressivement, et celui-ci rencontre en 1926 Marie-Thérèse Walter, qui sera sa maîtresse pendant une dizaine d'années. Olga Khokhlova apprend la relation de son mari en 1935 et décide de partir dans le sud de la France avec Paul et de demander le divorce. Pour des raisons autant de partage des biens que de convenances, Picasso refuse le divorce et, bien que ne vivant plus ensemble depuis des décennies, ils resteront officiellement mariés jusqu'à la mort d'Olga Khokhlova en 1955. Elle est inhumée au cimetière du Grand Jas à Cannes.