В 1960— 1965 гг. на геоботаническом стационаре Ганджина (юг Таджикистана) в предгорьях хр. Газимайлик проводила наблюдения за растительностью,почвенным и температурным режимами и изучала особенности плодоношения фисташки. При подготовке коллективной монографии по флоре ущелья р. Варзоб (1971 г.) изучала состав древесно-кустарниковой флоры этого ущелья, результатом чего стало написание главы в этой монографии.С 1 ноября 1966 г. О. П. стала работать в Лаборатории эмбриологии БИН РАН,где прошла путь от лаборанта до ведущего научного сотрудника. Сотрудничество с такими прекрасными учеными, щедро делящимися своими знаниями, как Э. С. Терехин,3. И. Никитичева и М. С. Яковлев, помогло быстро освоить премудрости эмбриологии растений. Став квалифицированным эмбриологом, защитила кандидатскую диссертацию на тему «Сравнительно-эмбриологическое исследование представителей сем. Dipsacaceae и сем. Morinaceae» (1977). Любимым детищем О. П. стала 5-томная «Сравнительная эмбриология цветковых растений» (1981— 1990), где она была секретарем издания и одним из авторов.При подготовке этого издания О. П. смогла посещать ботанические сады и участвовать во многих ботанических экспедициях по республикам Средней Азии и Монголии, возглавляемых Р. В. Камелиным.

Сотрудничество с систематиками в экспедициях было особенно ценным, так как собранный материал корректно определялся ив дальнейшем использовался для изучения отдельных таксонов рядом сотрудников Лаборатории эмбриологии.Разработки теоретических основ систематической эмбриологии цветковых растений всегда были в центре научной деятельности О. П. Ею было изучено более 100 видов двудольных и однодольных растений из 50 семейств и 22 порядков, отражающих разные уровни филогенетической системы покрытосеменных (опубликовано более 170 научных работ).

На основании детальных эмбриологических характеристик обсуждено систематическое положение спорных таксонов и даны рекомендации,которые были учтены А. Л. Тахтаджяном (1997) при построении филогенетической системы цветковых растений, что является одним из важнейших итогов сравнительно-эмбриологического исследования. Анализ большого фактического материала по основным эмбриональным структурам цветковых растений позволил предложить оригинальную классификацию типов тапетума и новый, тубифлоральный, тип эндосперма. Издание «Сравнительная эмбриология цветковых растений» было удостоено Государственной премии в области науки и техники (1993), лауреатом которой стала О. П. Камелина среди других восьми коллег Лаборатории эмбриологии.

По окончании издания «Сравнительной эмбриологии», имея большой оригинальный материал, по предложению Т. Б. Батыгиной и М. С. Яковлева О. П. подготовила и защитила в форме научного доклада по совокупности работ докторскую диссертацию «Сравнительно-эмбриологический анализ как метод филогенетической систематики цветковых растений» (1991).Далее О. П. активно включилась в работу по написанию 3-томного издания«Эмбриология цветковых растений. Терминология и концепции» (1994— 2000). Уникальной энциклопедической монографии,не имеющей аналогов в мире, была присуждена премия правительства РФв области науки и техники (2001). О. П. и 10 ведущих эмбриологов лаборатории стали лауреатами этой премии.О. П. имеет звание «старший научный сотрудник» (1992). Она является членом Русского ботанического общества и Международной ассоциации по изучении половой репродукции растений, награждена медалью «Ветеран труда» (1987),медалью С. Г. Навашина за выдающийся вклад в развитие эмбриологии растений(1990). Участвовала в работе международных Ботанических конгрессов, симпозиумов,совещаний и конференций по эмбриологии растений.

Лауреат премии им. В. Л. Комарова (2014).