В ряды Красной армии вступила в декабре 1941 года, закончив Батайскую военную авиационную школу пилотов. В действующей армии – с мая 1942-го.

Служила Санфирова командиром эскадрильи легендарного 46-го гвардейского ночного женского бомбардировочного авиаполка – того самого, который после войны все знали как полк «ночных ведьм».

Полк воевал на бипланах По-2. Экипаж Ольги Санфировой совершил 630 боевых вылетов, сбросив на фашистов 77 тонн бомб.

В ночь на 13 декабря 1944 года капитан Санфирова вылетела на выполнение очередного задания. Бомбили железнодорожную станцию близ Варшавы. При возвращении на аэродром самолёт попал под сильный зенитный огонь и был подбит. Ольга приказала штурману Руфине Гашевой покинуть самолёт, а затем прыгнула с парашютом сама. Обе приземлились на нейтральной полосе, стали пробираться в сторону наших позиций. Увы, главная опасность подстерегала лётчиц на земле. В темноте Ольга наступила на противопехотную мину и погибла. Руфина, получив ранения, осталась в живых.

Капитана Санфирову с воинскими почестями похоронили в братской могиле в белорусском городе Гродно, где есть улица ее имени. В Самаре около Дома молодёжи в 1985 году была торжественно открыта стела-памятник бесстрашной девушке.