Олеся Петрова окончила Санкт-Петербургскую государственную консерваторию им. Н.А. Римского-Корсакова в 2008 году (класс Ирины Богачёвой). С 2007 года — солистка Театра Консерватории, на сцене которого исполняет партии Марфы («Хованщина» М.П. Мусоргского), Кончаковны («Князь Игорь» А.П. Бородина), Леля («Снегурочка» Н.А. Римского-Корсакова), Ольги («Евгений Онегин» П.И. Чайковского), Полины, Графини («Пиковая дама» П.И. Чайковского), Иоанны («Орлеанская дева» П.И. Чайковского), Маддалены («Риголетто» Дж. Верди), Ульрики («Бал-маскарад» Дж. Верди), Кармен («Кармен» Ж. Бизе). Исполняла партию Любаши («Царская невеста» Н.А. Римского-Корсакова) в оперных театрах Перми и Новосибирска и Амнерис («Аида» Дж. Верди) в Бангкоке.
В сезоне 2011/12 исполнила партию Кончаковны в Оперном театре Цюриха и партию Ульрики в Национальном театре Греции (Афины). В 2013 году участвовала в гала-концерте Филармонического театра Вероны и исполняла партию меццо-сопрано в Реквиеме Дж. Верди в Сиднее и в «Концертгебау» (Амстердам). В 2014 году исполнила партию Азучены («Трубадур» Дж. Верди) в Оперном театре Хеделанда, а также партии Маддалены («Риголетто»), Мадлон («Андре Шенье» У. Джордано), Марфы («Хованщина») в «Метрополитан-опере», партию Ульрики в Немецкой опере на Рейне и в Национальном театре Греции, партию Сузуки («Мадам Баттерфлай» Дж. Пуччини) в Национальном театре Греции и партию Фенены («Набукко» Дж. Верди) в Опере Монреаля. В 2015 году участвовала в исполнении оперы «Сказки Гофмана» на сцене «Метрополитан-оперы», Реквиема Дж. Верди на сцене Театра Шатле и «Торжественной мессы» Л. ван Бетховена с Давидом Робертсоном в Сиднее, а также исполняла партию Шарлотты («Вертер» Ж. Массне) в Театре Верди в Триесте. Также в репертуаре певицы — партии меццо-сопрано в операх «Так поступают все» В.А. Моцарта, «Дуэнья» С.С. Прокофьева, «Золушка» Ж. Массне.
В творческом списке солистки — исполнение Реквиема Дж. Верди с Оркестром датского радио под управлением Фабио Луизи, а также под управлением Пласидо Доминго (Копенгаген, 2017), исполнение партий Федерики («Луиза Миллер» Дж. Верди) в Театре Верди (Триест, 2016), Эмилии («Отелло» Дж. Верди) в театре «Лисеу» (Барселона, 2016), Амнерис (Монреаль, 2016), Амельфы («Золотой петушок» Н.А. Римского-Корсакова) в Королевском театре Мадрида (2017).
Сотрудничает со многими российскими театрами, концертными залами, симфоническими и камерными оркестрами. Выступала с Валерием Гергиевым, Лео Кремером, Фабио Мастранджело, Владимиром Федосеевым и другими известными дирижёрами. В концертном репертуаре певицы — кантаты и оратории И.C. Баха, Дж. Перголези, В.А. Моцарта, Л. ван Бетховена, Дж. Верди, Г. Берлиоза, Р. Вагнера, Г. Малера, С.С. Прокофьева.
На сцене Михайловского театра исполняет ведущие партии меццо-сопрано в операх Дж. Верди, П. Масканьи, А. Дворжака и П.И. Чайковского. В 2016 году на юбилейном вечере Сергея Лейферкуса на сцене театра выступила в партии Старой цыганки в концертном исполнении оперы С.В. Рахманинова «Алеко». Также исполняла партию меццо-сопрано в Реквиеме Дж. Верди.
