Родилась в Москве. Закончила Театральную студию имени Грибоедова, над которой в 1920-е годы шефствовали такие мастера театрального искусства как К. С. Станиславский и В. В. Лужский. Позже окончила курс в школе при Московском камерном театре. Работая в театре имени Луначарского, часто выступала в московских радиопередачах, а с 1937 года профессия диктора радио становится для неё основной.
Обладая голосом приятного тембра, чёткой дикцией, владея секретом задушевного разговора с радиослушателем, она ярко и проникновенно вела на радио самые разные передачи. Н. И. Оленина — участница Великой Отечественной войны, служила медсестрой в госпитале. Большое время уделяла педагогической работе, многие дикторы Всесоюзного радио её ученики.
Борис Ляшенко в книге «Хочу к микрофону» вспоминал:
Надежда Ивановна Оленина — высокая, стройная, со строгой причёской — отличалась необычайно звучным голосом и мастерски владела всеми приёмами чтения у микрофона радио.
Лёгкость и подвижность отличают голоса В. С. Соловьёвой и Н. И. Олениной. <...> Голос Олениной певуч и мелодичен, для него характерны мягкость и музыкальность.
Указом Президиума Верховного Совета РСФСР 19 декабря 1966 года присвоено почётное звание «Заслуженный артист РСФСР». Награждена медалями «За боевые заслуги», «За победу над Германией», «За доблестный труд в Великой Отечественной войне».