В 1901 году Ольга Александровна была назначена почётным командиром 12-го Ахтырского гусарского полка (для императорской семьи такое назначение было приятное, но почти обыденное). Полк во время Первой мировой войны дислоцировался на линии фронта на Юго-западе России. Обладая медицинскими знаниями, сестра императора стала сестрой милосердия в больнице Красного Креста.
Во время войны Ольга Александровна попала под сильный огонь войск Австро-Венгрии, находясь в составе полка. Медсестры редко работали так близко к линии фронта, поэтому Ольга Александровна была награждена орденом Святого Георгия 4-ой степени.
Когда русские уступили позиции Центральным державам, больницу Ольги перенесли на восток, в Киев.
Репродукции картин Ольги Александровны печатались на почтовых открытках вместе с работами известных художников того времени. Вырученные средства переходили больнице Красного Креста.
После войны Великая княгиня часто вспоминала свои три года работы сестрой милосердия. Она получала благодарности от бывших солдат.
