Im Jahr 2008 debütierte Olga Sossina für die russische Nationalmannschaft. Während der Saison 2009/10 wurde sie für den Kader für die Olympischen Spiele in Vancouver nominiert und belegte beim Turnier selbst den sechsten Platz. Im Jahr 2013 gewann sie mit der Nationalmannschaft die Bronzemedaille bei der Weltmeisterschaft in Ottawa. Im Februar 2014 trat sie für die Nationalmannschaft bei den Olympischen Winterspielen in Sotschi an, absolvierte sechs Spiele und erzielte dabei drei Tore.