Актрисе сейчас 38 лет. Со своим будущим супругом, Константином Хабенским, она познакомилась в стенах родного МХАТа. Актеры вместе выходили на театральную сцену, чтобы сыграть в спектакле «Утиная охота». Константину и Ольге нужно было сыграть влюбленную пару. Свои чувства они перенесли в реальную жизнь.
В первый раз Литвинова и Хабенский вместе появились на публике в 2010 году. Они вместе пришли на премьеру фильма «Кандагар». До встречи с Константином у Ольги были отношения с Максимом Виторганом. Ходили слухи, что влюбленные жили вместе. Со временем их чувства угасли, и они расстались.
Ольга и Константин поженились в 2013 году. Свадьбу отметили скромно. Даже коллег они не поставили в известность о церемонии бракосочетания.
В 2016 году супруги переехали в квартиру, расположенную в центре Москвы. Летом того же года Ольга родила дочку Александру. Актриса планировала рожать в Испании.
Так как роды начались раньше срока, Ольге пришлось рожать в одной из московских больниц. Сын Константина, рожденный в первом браке, сейчас живет с бабушкой, в Испании.
Зимой 2019 года Литвинова родила дочку. На своей страничке Инстаграма актриса опубликовала снимок, на котором изображена ручка малышки, вложенная в ладонь папы.