Начала занятия спортом в ДЮСШ Краснокамска (1-й тренер — Свешникова Галина Васильевна). В 1979 переехала в Ворошиловград, где её начал тренировать Федорец Владимир Андреевич. Первые большие успехи пришли в 1983 году, когда она становится чемпионкой СССР. Пропустив из-за бойкота Олимпийские игры 1984 года, Брызгина побеждает на турнире «Дружба»-84 и также выигрывает Кубок Европы 1985 года в составе сборной СССР.
Свой личный рекорд и рекорд СССР в беге на 400 метров Брызгина установила в одном забеге финала Кубка Мира 1985 года с Маритой Кох. Немка тогда обновила мировой рекорд 47.60, а Брызгина пришла второй 48.27 сек.
Триумф спортсменки пришёлся на чемпионат мира 1987 года, где она стала чемпионкой мира.
На Олимпийских играх в Сеуле Брызгина выигрывает два золота. Сначала в беге на 400 метров и затем в составе эстафетной команды 4x400 метров, где сборная СССР установила мировой рекорд 3 мин 15.17 сек. В финале спортсменки сборной СССР выдержали острейшую конкуренцию со стороны сборной США. Ольга Брызгина, которая бежала на последнем этапе, смогла удержать небольшое преимущество над Флоренс Гриффит-Джойнер.
На чемпионате мира 1991 года в Токио стала победительницей в эстафете 4x400 метров. На Олимпийских играх в Барселоне (1992) Брызгина выигрывает золото в составе эстафеты 4x400 метров (СНГ)
В 1992 году Брызгина ушла из большого спорта. Работала на должности директора СДЮШОР легкой атлетики «Динамо», затем стала старшим тренером сборной команды Украины по лёгкой атлетике по Луганской области.
Награждена орденом «Дружбы Народов», медалью «За трудовую доблесть», знаком отличия Президента Украины. Почётный житель города Луганска.
В 1986 году Ольга вышла замуж за известного советского легкоатлета Виктора Брызгина. В их семье две дочери. В настоящее время Ольга Брызгина проживает в Луганске (Украина).
Дочь Ольги — Елизавета Брызгина — член сборной Украины по лёгкой атлетике, также специализируется в спринте.