Характерными чертами у неё были сильная воля и неподкупная честность и прямота, в чем Она походила на Мать. Эти прекрасные качества были у неё с детства, но ребенком Ольга Николаевна бывала нередко упряма, непослушна и очень вспыльчива; впоследствии Она умела себя сдерживать. У неё были чудные белокурые волосы, большие голубые глаза и дивный цвет лица, немного вздёрнутый нос, походивший на Государев. Великие Княжны Мария и Анастасия Николаевны были тоже обе белокурые. У Марии Николаевны были замечательные лучистые синие глаза: она была бы красавицей, если бы не толстые губы. Девочкой она была очень полной. У нее был сравнительно мягкий характер, и она была добрая девушка. Все эти три Великие Княжны шалили и резвились, как мальчишки, и манерами напоминали Романовых… Татьяна Николаевна была в мать — худенькая и высокая.
Она редко шалила и сдержанностью и манерами напоминала Государыню. Она всегда останавливала сестер, напоминала волю матери, отчего они постоянно в шутку называли ее «гувернанткой». Родители, казалось мне, любили ее больше других. Государь говорил мне, что Татьяна Николаевна напоминает ему Государыню. Волосы у нее были темные, глаза темно-серые. Мне также казалось, что Татьяна Николаевна была очень популярна: все ее любили — и домашние, и учителя, и в лазаретах. Она была самая общительная и хотела иметь подруг. Но Императрица боялась дурного влияния свитских барышень и даже не любила, когда ее дети виделись с двоюродной сестрой Ириной Александровной. Впрочем, они не страдали от скуки; когда они выросли, они постоянно увлекались и мечтали то о том, то о другом. Летом они играли в теннис, гуляли, гребли с офицерами яхты или охраны. Их детские наивные увлечения забавляли родителей, которые постоянно подтрунивали над ними. Великая Княгиня Ольга Александровна устраивала для них собрания молодежи. Иногда и у меня они пили чай со своими друзьями. Портнихой у них была M-me Brizaak; одевались они просто, но со вкусом. Летом почти всегда в белом. Золотых вещей у них было немного. Двенадцати лет они получали первый золотой браслет, который никогда не снимали».
Михаил Дитерихс вспоминал: «Великая Княжна Ольга Николаевна представляла собою типичную хорошую русскую девушку с большой душой. На окружающих Она производила впечатление своей ласковостью, своим чарующим милым обращением со всеми. Она со всеми держала себя ровно, спокойно и поразительно просто и естественно. Она не любила хозяйства, но любила уединение и книги. Она была развитая и очень начитанная; имела способность к искусствам: играла на рояле, пела и в Петрограде училась пению, хорошо рисовала. Она была очень скромной и не любила роскоши».
Софья Яковлевна Офросимова писала о Татьяне Николаевне: «Она — великая княжна с головы до ног, так она аристократична и царственна. Лицо её матово-бледно, только чуть-чуть розовеют щёки, точно из-под её тонкой кожи пробивается розовый атлас. Профиль её безупречно красив, он словно выточен из мрамора резцом большого художника. Своеобразность и оригинальность придают её лицу далеко расставленные друг от друга глаза. Ей больше, чем сёстрам, идут косынка сестры милосердия и красный крест на груди. Она реже смеется, чем сестры. Лицо её иногда имеет сосредоточенное и строгое выражение. В эти минуты она похожа на мать. На бледных чертах её лица — следы напряжённой мысли и подчас даже грусти. Я без слов чувствую, что она какая-то особенная, иная, чем сёстры, несмотря на общую с ними доброту и приветливость. Я чувствую, что в ней — свой целый замкнутый и своеобразный мир».
При дворе утверждали, что в Ольгу влюблен великий князь Борис Владимирович. Александра Федоровна с возмущением писала императору: «В какую ужасную компанию попала бы его жена! Бесконечные интриги, развязные манеры и разговоры… Отдать 38-летнему истрепанному, видавшему всякие виды человеку чистую, молодую девушку, которая моложе его на 18 лет, и поселить их в доме, где многие женщины «делили» с ним жизнь». Ходили также слухи, что к ней сватались король, наследный принц Румынии и Эдуард, принц Уэльсский, которым Ольга ответила отказом. Современные историки не отстают: сопоставив дневники царевны с вахтенными журналами «Штандарта» и камер-фурьерскими журналами они предположили, что Ольга была увлечена мичманом Павлом Вороновым, входившим в команду «Штандарта». Позже медсестра, знавшая ее в Царскосельском госпитале, рассказывала, что Ольга мечтала «выйти замуж, жить всегда в деревне и зиму, и лето, принимать только хороших людей, никакой официальности».
На Татьяне хотел женить своего младшего сына сербский король Петр I.