Nacida en Roma, Olimpia fue hija del barón Lorenzo Mancini, aristócrata italiano practicante de la nicromancia y la astrología, y de Girolama Mazzarini.

Las Mancini tuvieron tres hermanos; Pablo, Felipe y Alfonso.

Poco después de su matrimonio se vio envuelta en varias intrigas en la corte, surgiendo al poco tiempo rumores que afirmaban que Olimpia había sido amante de Luis XIV.

Es poco probable que esta relación fuese sexual, si bien la reina madre estaba profundamente preocupada por ello.

Viajó a Inglaterra de forma ocasional con sus hermanas María y Hortensia.