Родилась 14 сентября 1921 г. в г. Сасово Рязанской области. Участник Великой Отечественной войны. В 1940 г. поступила на кафедру археологии исторического факультета Ленинградского государственного университета. В 1946 г. окончила Исторический факультет МГУ. С 1946 по 1977 гг. и в 1983-1988 гг. работала в ИА РАН.
В 1964 г. защитила кандидатскую диссертацию «Ранний железный век Белоруссии».
Основные научные интересы О.Н. Мельниковской – ранний железный век Европейской части СССР. Она является автором первой обобщающей работы о милоградской культуре (М., 1967).
С 1957 по 1971 гг. (с небольшим перерывом) – начальник Гомельского, Юхновского и Деснинского отрядов Верхнеднепровской и Приднепровской экспедиций.
Автор 43 печатных работ. Основные работы:
1. О взаимосвязи памятников милоградской и зарубинецкой культур в Южной Белоруссии // СА. 1963. №1.
2. История племен раннего железного века в Южной Белоруссии. М., 1964.
3. Племена Южной Белоруссии в раннем железном веке. М., 1967.