Nacque a Ferrara da Fulvio Peregrino Morato, un professore universitario di Letteratura, e tutore del figlio minore di Alfonso d'Este, duca di Ferrara. Fin da bambina, manifestò una propensione all'apprendimento, assimilando dal padre sia il latino che il greco.
Divenuta compagna di Anne di Francia, figlia del duca Ercole di Ferrara, si stabilì alla corte di Ferrara, nel 1540. Nel 1543, il papa venne a visitare la città, e vi istituì il tribunale dell'inquisizione. Molte persone, vicine alla madre di Anne, furono processate poiché protestanti. Olympia lasciò l'Italia, e nel 1546 contrasse una malattia che la tenne lontano dalla corte. Tornò dalla sua amica Anne nel 1548, anno della morte di suo padre. Con il matrimonio, e la conseguente partenza di Anne per la Francia, però, Olympia fu allontanata dagli Estensi.
Nel 1549, giunse a Ferrara Andrew Grunther, un giovane dottore bavarese, di cui Olympia si innamorò. I due si sposarono l'anno successivo, con un rito protestante, ed Olympia scrisse un inno in Greco, per celebrare l'evento. L'aprile del stesso anno, Grunther, finito il suo dottorato in medicina, tornò in Germania, e pochi mesi dopo venne a prendere Olympia. I due si stabilirono nella città natale di Adrew, ed Olympia riprese i suoi studi. In quel periodo scrisse i Dialoghi di Theophila e Filotima, in cui espresse la sua malinconia verso le persone che aveva lasciato a Ferrara.
Nel l'aprile del 1553, la cittadina di Grunther fu presa d'assedio da alcune armate di mercenari tedeschi, e rimase accerchiata per nove mesi, nei quali la scrittrice inviò diverse lettere ai suoi amici a Ferrara. Tutta la vita di Olympia Morata è documentata dalle sue molteplici lettere, che costituiscono la parte più imponente della sua opera.
Espugnata la cittadina, gli abitanti subirono atroci torture, Olympia e Andrew riuscirono a fuggire, ma presto vennero fatti prigionieri. Fortunatamente, però, il vescovo, che aveva ordinato l'assedio della cittadina, inviò una lettera ai suoi soldati perché graziassero Olympia e suo marito. Una volta librati, i due cercarono rifugio in diverse corti tedesche, per poi stabilirsi alla corte degli Erbach.
L'esperienza della prigionia aveva, però, duramente intaccato la salute della scrittrice, che, nel 1555, morì per un'epidemia.
Molte delle sue poesie e delle sue lettere, vennero recuperate dopo la sua morte, ed una placca commemorativa fu apposta sulla sua casa in Germania, nel paese dove, ancora oggi, una scuola per ragazze porta il suo nome.