В 2007 г. окончила Дипломатическую академию Министерства иностранных дел Российской Федерации по специальности «Международные отношения». В феврале 2012 г. О.Ю. Васильева была назначена на должность заместителя директора департамента культуры правительства Российской Федерации. 20 октября 2012 г. было образовано управление по общественным проектам Администрации Президента Российской Федерации, в начале 2013 г. О.Ю. Васильева была назначена на должность заместителя его руководителя. В 2014 г. была одним из инициаторов дискуссии о консерватизме на площадке Общероссийского народного фронта. Входила в совет по подготовке программ по курсу «Отечественная история» при министерстве образования Российской Федерации, комиссию по делам религиозных объединений при правительстве Российской Федерации и рабочую группу комиссии при Президенте по делам инвалидов по вопросам создания условий для участия инвалидов в культурной жизни общества. Была членом Совета по освещению религиозной тематики в электронных СМИ при министерстве по делам печати, телерадиовещания и средств массовых коммуникаций. Указом президента Российской Федерации Владимира Владимировича Путина от 16 сентября 2014 г. О.Ю. Васильевой присвоен классный чин «действительный государственный советник Российской Федерации второго класса». 19 августа 2016 г. на рабочей встрече с президентом России В.В. Путиным в аэропорту Бельбек в Крыму Председатель Правительства Российской Федерации Дмитрий Анатольевич Медведев поднял тему смены руководства в Министерстве образования и науки. «На смену Дмитрию Викторовичу Ливанову я предложил бы назначить женщину – Ольгу Юрьевну Васильеву, которая имеет хороший послужной список», – высказался глава правительства. Президент предложение одобрил и в тот же день подписал указ о назначении О.Ю. Васильевой министром образования и науки РФ, в соответствии с пунктом «д» статьи 83 Конституции России. Вскоре в газете «Комсомольская правда» вышло интервью с О.Ю. Васильевой, согласно которому она восприняла назначение как «божествование». Позже Министр пояснила, что произнесла слово «долженствование», а журналисты неправильно расслышали её комментарий; журналист подтвердил эту версию и принёс извинения. Возглавляла Минобрнауки до его разделения в мае 2018 г. на Министерство просвещения и Министерство науки и высшего образования. После этого разделения О.Ю. Васильева заняла пост министра просвещения РФ. 15 января 2020 г. в связи с уходом Правительства Российской Федерации в отставку покинула данный пост. В состав нового Правительства не вошла. О.Ю. Васильева является автором более 160 научных работ, под её руководством подготовлено и защищено три докторские и более 25 кандидатских диссертаций. Сфера её научных интересов затрагивает историю Русской православной церкви в XX в., государственно-церковные отношения в советский период, международные отношения, проблемы религиозно-политического экстремизма и т.д.