Nata a Bolzano nel 1949, i suoi nonni provengono dalla cittadina pugliese di Modugno. Inizia giovanissima a calcare il palcoscenico: a 11 anni è Helen, la protagonista di Anna dei miracoli di William Gibson, per la regia di Luigi Squarzina: «Della bravura di Anna Proclemer non staremo a dire, e qui se ne ha autorevole conferma. La sorpresa ci è venuta invece da Ottavia Piccolo». Approfondisce la sua formazione artistica comparendo in televisione ne Le notti bianche, tratto da un racconto di Dostoevskij. Anche l'esordio cinematografico è importante: è una delle figlie del Principe di Salina ne Il Gattopardo di Luchino Visconti (1963). Nel 1964 conosce Giorgio Strehler, che la dirige ne Le baruffe chiozzotte e più tardi nel Re Lear shakespeariano. Altri suoi maestri saranno per il teatro Luca Ronconi e per il cinema Mauro Bolognini (Madamigella di Maupin). In Metello di quest'ultimo, tratto dal libro di Vasco Pratolini, la sua prova fu tale da meritare il Prix d'interprétation féminine al Festival di Cannes 1970, il Nastro d'argento alla migliore attrice protagonista, un David Speciale ai David di Donatello 1970 e un Globo d'oro alla miglior attrice rivelazione. Questo successo farà sì che l'attrice sia «adottata» dal cinema francese: sarà diretta, fra gli altri, da Claude Sautet e Pierre Granier-Deferre (L'evaso) nel 1971. Nel 1968 interpreta il ruolo della protagonista femminile in Serafino di Pietro Germi, al fianco di Adriano Celentano. L'anno successivo interpreta un ruolo secondario nella commedia Una su 13, con Vittorio Gassman, Sharon Tate, Orson Welles e Vittorio De Sica. Nel 1970 incide un 45 giri con Rodolfo Baldini, a cui è legata in quel periodo. Nel 2004 ha interpretato il ruolo di un'analista in Tu la conosci Claudia?, con Aldo, Giovanni e Giacomo. Nel 2014 è stata nominata membro del corpo docente dell'Università Ca' Foscari dal rettore Carlo Carraro a Venezia. Ottavia Piccolo ha anche lavorato saltuariamente come doppiatrice: ha prestato la voce ad esempio a Carrie Fisher nel ruolo di Leila Organa nei film della saga di Guerre stellari.