Η Όλγα X. Θεμελή σπούδασε Νομικά στο Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης και Ψυχολογία στο Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών. Ολοκλήρωσε τις μεταπτυχιακές και διδακτορικές της σπουδές στην Εγκληματολογία, στη Νομική Σχολή Αθηνών και εργάστηκε ως ερευνήτρια στον τομέα κλινικής Ψυχολογίας στο Vrije Universiteit Amsterdam και στο διεθνή μη Κυβερνητικό οργανισμό Defence for Children International - ΝL.
Aπό το 2002 διδάσκει Εγκληματολογία και Εγκληματολογική Ψυχολογία. στο Τμήμα Ψυχολογίας του Πανεπιστημίου Κρήτης. Σήμερα είναι Αναπληρώτρια Καθηγήτρια Εγκληματολογικής Ψυχολογίας. Έχει λάβει μέρος σε πολλά εθνικά και διεθνή ερευνητικά προγράμματα, έχει διατελέσει μέλος σημαντικών νομοπαρασκευαστικών επιτροπών, ενώ την περίοδο 2016-2019, υπήρξε πρόεδρος του ΚΕΣΑΘΕΑ (Κεντρικό Επιστημονικό Συμβούλιο για την αντιμετώπιση της θυματοποίησης και της εγκληματικότητας των ανηλίκων/Υπουργείο Δικαιοσύνης, Διαφάνειας και Ανθρωπίνων Δικαιωμάτων).
Αν και τα κύρια επιστημονικά της ενδιαφέροντα εστιάζονται κυρίως σε θέματα που αφορούν τα «δεινά του εγκλεισμού» και την ευάλωτη ομάδα των κρατουμένων, μετά την πενταετή της εμπειρία ως Ειδικού Επιστήμονα στο Συνήγορο του Πολίτη, τα τελευταία χρόνια ασχολείται ερευνητικά με την κατεξοχήν ευπαθή κοινωνική ομάδα, τα παιδιά.