Под руководством Ольги Леонидовны проводятся фундаментальные научные исследования по направлениям: изучение молекулярных, организменных и популяционных закономерностей формирования мультифокального атеросклеротического поражения; создание новых биоматериалов для сердечно-сосудистой хирургии, их экспериментальная и клиническая апробация; научное обоснование и разработка перспективных моделей оказания медицинской помощи при болезнях системы кровообращения в условиях промышленного региона. Результаты этих научных широко внедряются в практику оказания высокотехнологичной медицинской помощи в различных регионах России.
С 2007 г. и по настоящее время Ольга Леонидовна возглавляет единственную в Российской Федерации кафедру кардиологии и сердечно-сосудистой хирургии на базе ФГБОУ ВО «Кемеровский государственный медицинский университет» (ФГБОУ ВО КемГМУ), уделяя большое внимание подготовке молодых специалистов, популяризации науки и привлечению талантливых и перспективных молодых исследователей. С позиции наставника, Ольга Леонидовна формирует индивидуальную образовательную и научную траектории, предлагая молодым специалистам принять активное участие в различных клинических и научных проектах, что позволяет им успешно развивать уникальные компетенции.
Ольга Леонидовна Барбараш- автор 1687 научных работ, в том числе в 34 монографий и глав в монографиях, 47 охраняемых объектов интеллектуальной собственности. Под ее руководством и научном консультировании защищены 16 докторских и 71 кандидатская диссертации.