Внучатая племянница Г. А. Бонч-Осмоловского. Окончила биологический факультет МГУ (1973), училась в аспирантуре ИНМИ АН СССР.Бессменный руководитель со времени основания отдела биологии экстремофильных микроорганизмов Федерального исследовательского центра «Фундаментальные основы биотехнологии» Российской академии наук (до 2017 — лаборатория гипертермофильных микробных сообществ, образованная в 1996 году из состава лаборатории микробных сообществ академика Г. А. Заварзина (как вспоминала об этом сама Бонч-Осмоловская: «Нас было тогда шесть человек, примерно одного возраста, от 35 до 45 лет» — а в 1998 году к ним пришли первые студенты), самостоятельная лаборатория ИНМИ РАН с 2012 года).
До 2017 года — заведующая отделом и заместитель директора по научной работе Института микробиологии им. С. Н. Виноградского РАН.Заместитель председателя экспертного совета ВАК РФ по биологическим наукам (с 2013).
В 2017 году избрана в состав Совета по науке при Министерстве образования и науки РФ.Президент Межрегионального микробиологического общества, член президиума Международного общества микробной экологии. Член Американской академии микробиологии.Отмечена премией имени С. Н. Виноградского Президиума РАН и премией Берги (Bergey Award, 2016).Автор около 100 научных публикаций.