Водосборният басейн на Ольокма има площ от 210 хил. km<sup>2</sup>, което представлява 988,43% от водосборния басейн на река [[Лена]] и се простира на части от [[Забайкалски край]] (североизточната част), [[Амурска област]] (крайната северозападна част), [[Иркутска област]] (крайната североизточна част) и [[Якутия|Република Якутия (Саха)]] (югозападна част). Във физикогеографско отношение водосборният ѝ басейн обхваща: северните части на планината [[Ольокмински Становик]], западните части на [[Станов хребет|Становия хребет]], крайните източни части на [[Севернобайкалски планини|Северобайкалската планинска земя]], цялото Ольокмо-Чарско плато, източната и югоизточна част на [[Патомско плато|Патомското плато]] и крайните западни части на [[Алданско плато|Алданското плато]].
Границите на водосборния басейн на реката са следните:
