Olivia Mellegård gewann mit der schwedischen Jugendnationalmannschaft die Goldmedaille bei der U-17-Europameisterschaft 2013, die Bronzemedaille bei den Olympischen Jugend-Sommerspielen 2014 sowie die Bronzemedaille bei der U-19-Europameisterschaft 2015. Seit 2016 gehört Mellegård dem Kader der schwedischen Nationalmannschaft an, für die sie bisher in 59 Länderspielen 128 Treffer erzielte. Sie nahm an der Europameisterschaft 2016 teil. Mellegård zog sich in der Hauptrundenpartie gegen Frankreich bei einem Zusammenprall mit Laura Glauser eine Gehirnerschütterung zu. Infolgedessen war das Turnier für sie beendet. Weiterhin belegte sie mit Schweden bei der Weltmeisterschaft 2017 den vierten Platz sowie bei der Europameisterschaft 2018 den sechsten Platz.