Es por lo tanto nieta del rey Alfonso XIII de España y de su esposa la reina Victoria Eugenia de Battenberg, y prima carnal del rey Juan Carlos I de España, así como tía materna de Alessandro Lecquio.

Fue bautizada en Lausana, siendo sus padrinos sus tíos políticos, Emanuela de Dampierre y Enrico Marone, de quienes vienen parte de su nombre.

Se casó el 26 de junio de 1965 en la Basílica de Santa María en Trastevere, en Roma, con el francés Paul-Annik Weiller (1933-1998).

La pareja ha tenido seis hijos: A pesar de su parentesco con la familia real española, Olimpia Torlonia no es oficialmente parte de la misma dado que su parentesco es por línea femenina.

Olimpia es la única de sus hermanos que permanece con vida.