Esordio, a dieci anni, in teatro, in Anna dei miracoli. Subito dopo, il cinema ne Il Gattopardo di Luchino Visconti. Nel 1964/65 Giorgio Strehler la dirige ne Le baruffe chiozzotte di Goldoni; nel biennio successivo è diretta da Visconti ne Il giardino dei ciliegi. Nel 1968-69, un memorabile Orlando furioso, regia di Luca Ronconi. Ritorna a Strehler e al Piccolo di Milano (1972-73) nel doppio ruolo del Fool e di Cordelia nel Re Lear di W. Shakespeare.
È poi con Gabriele Lavia, che la dirige ne Il vero amico di Goldoni, Amleto di Shakespeare, Anfitrione di Kleist e Il Gabbiano di Cechov. Da allora, Ottavia Piccolo frequenta la drammaturgia più varia lavorando con i migliori registi italiani. In questi ultimi anni privilegia testi di nuovi autori. Nel cinema, dopo Il Gattopardo, una serie di interpretazioni, in Italia e in Francia, tra le quali Metello (miglior attrice a Cannes), Serafino, L'evaso, La famiglia, Da grande. Densissima anche la sua attività in televisione, dalle commedie in bianco e nero alle moderne sit-com.