Родилась 25 декабря 1928 года в Ленинграде в семье педагога и певицы.

В 1947 году окончила Ленинградское хореографическое училище под руководством А. Я. Вагановой и была принята в балетную труппу Ленинградского театра оперы и балета имени С. М. Кирова. Вплоть до 1973 года выходила на сцену театра, исполнила практически все ведущие партии в классических балетных постановках. Первая исполнительница партий в балетах Л. В. Якобсона (миниатюра «Мать» на муз. А. Н. Скрябина – «Хореографические миниатюры»), В. М. Чабукиани (Бьянка – «Отелло» А. Д. Мачавариани), Ю. Н. Григоровича (Мехменэ Бану – «Легенда о любви» А. Д. Меликова), Р. В. Захарова (Каролина – «В порт вошла "Россия"» В. П. Соловьёва-Седого), К. М. Сергеева (Гертруда – «Гамлет» Н. П. Червинского). Классическая балерина, тяготевшая к экспрессивно-графической манере исполнения, драматизации роли, усилению контрастов. Склонность к гиперболизации позволила достичь успеха в гротесковых партиях.

С 1972 года О. Н. Моисеева занималась преподавательской работой, на протяжении 15 лет была педагогом-репетитором в театре. Воспитала большое количество солисток балета.

В 2008 году Награждена орденом Дружбы.

Умерла 24 июня 2021 года. Похоронена на Смоленском православном кладбище в городе Санкт-Петербурге.