В 2000 году окончила РАТИ-ГИТИС (актерско-режиссерский курс Марка Захарова). Одна из ведущих актрис театра «Ленком».

Играла в спектаклях «Варвар и еретик», «Юнона и Авось», «Безумный день, или Женитьба Фигаро», «Шут Балакирев», «Жестокие игры». Сам Марк Захаров часто называл ее «молодым дарованием».

Роль Голды в реконструкции легендарного спектакля «Поминальная молитва» стала прорывной в карьере актрисы. Она не только ожидаемо органична в комедийных сценах, ее драматический талант потрясающе раскрылся в полном любви и скорби финальном монологе Голды. Заслуженная «Хрустальная Турандот» в номинации «лучшая женская роль».

«Олеся Железняк в роли жены Тевье Голды — это, как говорится, нечто отдельное. Мне кажется, мы не заметили, как у нас в театре появилась поразительная, универсальная, по-настоящему большая актриса. Как она поразительно играет мать — прикосновением, взглядом, улыбкой. Предсмертный монолог Голды — образец актерского искусства. Олеся Железняк стала абсолютно отдельной, ни на кого не похожей актрисой, каждую работу которой теперь стоит ждать.»

А. Максимов, «Российская газета»