Специалист по новой и новейшей истории Италии, итало-русским отношениям, отношениям России с Ватиканом, международным отношениям.

Ольга Васильевна была широко известна научному сообществу своими фундаментальными трудами в области международных отношений и религиозной истории. Одной из ее последних крупных работ является двухтомник «Россия и Ватикан. Политика и дипломатия XIX – начало XX в.», над продолжением которого она работала до последних дней. Любовь к солнечной Италии, предмету ее пристального исследования, она пронесла через всю жизнь и создала такие, ставшие широко известными монографии, как «Италия и антигитлеровская коалиция 1943-1945 гг.» (1973), «От Тройственного союза к Антанте (Итальянская внешняя политика и дипломатия в конце XIX – начале XX века)» (1983), «Горчаков, Кавур и объединение Италии» (1997).

Научное творчество О.В. Серовой стало важной вехой отечественной итальянистики. Его отличало внимание к историческим деталям, глубина анализа, широта раскрываемых сюжетов. Работы О.В. Серовой стали опорной точкой для многих последующих исследований, в том числе в смежных темах.