Wielka księżna Olga urodziła się jako Cecylia Augusta, księżniczka i margrabianka Badenii. Była najmłodszą córką wielkiego księcia Leopolda Badeńskiego i szwedzkiej królewny, Zofii Badeńskiej. Cecylia przyjęła imię Olga Fiodorowna po przejściu na prawosławie.