Lorsque la natation synchronisée par équipes est inscrite au programme olympique en 1996, Olga est membre de l'équipe russe qui se classe quatrième. Dans l'épreuve du duo à Sydney en 2000, la victoire est franche. Olga et sa partenaire Maria Kisseleva exécutent, au rythme des tambours japonais, un programme libre basé sur le karaté. Les cinq juges leur décernent un 10 pour l'impression artistique et quatre juges leur donnent un 10 pour le mérite technique. Olga remporte une deuxième médaille d'or pour la Russie dans l'épreuve par équipes.
Quatre ans plus tard, aux Jeux à Athènes, elle s'adjuge une autre médaille d'or dans l'épreuve par équipes. Nageuse synchronisée depuis l'âge de neuf ans, Olga Brusnikina a expliqué un jour: "Après tant d'années d'entraînement, je me sens chez moi dans l'eau. J'ai l'habitude de vivre la tête en bas et les pieds en haut".