История Свято-Ольгинского женского монастыря начинается с основания Свято-Пантелеимоновского храма на территории Луганского областного онкологического диспансера. Храм был открыт 12 сентября 1992 года по инициативе главного врача онкодиспансера. Первоначально храм не имел постоянного священника и относился к Свято-Владимирскому кафедральному собору. Богослужения проводились только по воскресным дням.
4 апреля 1995 года настоятелем храма был назначен священник, после чего храм начал функционировать регулярно. В 1998 году был заложен фундамент под дополнительную пристройку к храму. В 2000 году при храме сформировалась община сестер милосердия, которая 4 ноября того же года была преобразована в монашескую общину в честь великой княжны Ольги Романовой. Община насчитывала около 12 сестер.
В 2001 году к главному престолу в честь великомученика Пантелеимона были добавлены два дополнительных престола: в честь Всех святых и в честь царственной страстотерпицы великой княжны Ольги. В этот же период велось активное строительство и расширение храмовых помещений, включая художественную мастерскую и технические помещения.
25 апреля 2013 года Священным Синодом Украинской Православной Церкви было принято решение о преобразовании прихода в женский монастырь в честь святой царственной страстотерпицы великой княжны Ольги. В состав монастыря вошли все храмы, находившиеся под управлением настоятеля. Были основаны монастырские подворья в селах Красное, Новоанновка и поселке Щетово.
В 2014 году монастырь подвергся обстрелу во время военных действий на Донбассе. Сестры монастыря были временно эвакуированы в подворье в селе Красное. Богослужения в этот период совершались в сохранившихся храмах монастыря и на подворьях.