Родилась в 1960 году в Москве. В 1982 году окончила с отличием механико-математический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова, в 1987 году - аспирантуру механико-математического факультета по кафедре дифференциальных уравнений. В 1988 году защитила диссертацию на учёную степень кандидата физико-математических наук, в 1994 году Илларионовой О.Г. присвоено учёное звание доцента.

С июля 1987 года работает на кафедре высшей математики МГТУ ГА. Вся её жизнь связана с вузами - сначала училась сама, теперь обучает других. Муж и дочь тоже математики, окончили мех-мат МГУ.

Илларионова О.Г. имеет славное комсомольское прошлое. В школе была секретарём комсомольской организации школы, в университете - секретарём комсомольской организации курса.

Любимый вид отдыха - путешествия по историческим местам, особенно связанными с античным периодом.

С ноября 2003 года по август 2008 года являлась заместителем заведующего кафедрой высшей математики МГТУ гражданской авиации. В настоящее время является доцентом кафедры.

Ведёт следующие курсы:

Алгебра и геометрия для студентов 1 курса специальности 10.05.02

Высшая математика для студентов 1 и 2 курсов направления 25.03.02