E' una delle attrice più raffinate ed eleganti del mondo teatrale e cinematografico italiano. Il suo debutto sulle scene avviene in Anna dei miracoli: una commedia di William Gibson per la regia di Luigi Squarzina, accanto ad Anna Proclemer. Ottavia aveva solo undici anni e interpretava la parte di Helen, la ragazzina cieca e sordomuta. Quel debutto rappresenta la prova eccellente di una bambina prodigio e l'inizio della sua lunga carriera di attrice. Ancora giovanissima compare in televisione in Le notti bianche di Dostoevskij ed esordisce nel cinema con Il gattopardo, il celebre film di Luchino Visconti (1963). Dopo varie esperienze teatrali sempre con Visconti, recita a teatro sotto la guida di Giorgio Strehler (Le baruffe chiozzotte, Re Lear) e Luca Ronconi (un memorabile Orlando Furioso adattato poi per il grande schermo nel 1974). Resta il cinema comunque il suo grande amore e infatti è protagonista di qualche pellicola dell'epoca, come Madamigella di Maupin e Metello, entrambi con la regia di Mauro Bolognini (per Metello verrà premiata con la Palma d'Oro come migliore attrice al Festival di Cannes del 1970) o in quel classico che è Serafino di Pietro Germi, accanto ad Adriano Celentano, siamo nel 1968. Riesce talmente bene a impersonare qualunque personaggio che la carriera di Ottavia diventa internazionale. È soprattutto il cinema francese che si interessa di lei, utilizzandola nei ruoli più vari. Compare ne L'evaso di Pierre Granier-Deferre (tratto dal romanzo di Simenon La vedova Couderc), al fianco di Simone Signoret e Alain Delon e nel difficile ruolo di una prostituta che si concede a un uomo d'affari integerrimo in Mado di Claude Sautet. Nel 1974 sposa il giornalista Claudio Rossoni da cui avrà il figlio Nicola, nato nel 1975. Successivamente Ottavia si dedica soprattutto al teatro, rappresentando autori immortali come Shakespeare, Pirandello, Alfieri e Hoffmansthal, mentre in televisione prende parte a numerosi sceneggiati televisivi (interpreta un'indimenticabile Augusta nella riduzione de La coscienza di Zeno, realizzata da Sandro Bolchi nel 1988). Dieci anni di assenza e torna al cinema per interpretare Adelina che invecchia al fianco dei parenti ne La famiglia (Ettore Scola, 1987) e subito dopo, accanto ad Alessandro Haber, soffre per la sparizione di un figlio pasticcione e turbolento (Da grande, Franco Amurri, 1987). Negli anni '90 è particolarmente attiva in televisione. In Italia compare nella fortunata serie di telefilm Chiara e gli altri (Andrea Barzini, 1989 e Gianfrancesco Lazotti, 1991) fino a Donna (Gianfranco Giagni, 1995). Anche in Francia continua a mantenere una grande popolarità televisiva, mentre al cinema figura più volte nei film diretti da Felice Farina (Condominio, 1991 eBidoni, 1994). Ottavia Piccolo è anche bravissima doppiatrice: sua, ad esempio, è la voce della principessa Leila nella prima trilogia di Guerre stellari, di George Lucas.
Tra le più recenti opere cinematografiche cui ha preso parte troviamo 7 minuti (2016) di Michele Placido e Welcome Venice (2021) di Andrea Segre.