Вторым широко известным эпизодом правления Ольги был ее мирный поход в Византию, в ходе которого она приняла православную веру. Известно, что Ольга отправилась в это дальнее путешествие в 957 г. и заняло оно более 40 дней. Путь княгини лежал по Днепру до Черного моря, а там по побережью до Константинополя. В летописном рассказе об этом событии превалирует религиозная сторона, и в качестве официальной цели ее поездки летописцы называют желание княгини достоверно узнать «истинную веру» и «сподобиться вечной жизни». Однако, ученые, занимающиеся этим периодом, склонны считать, что она ехала с более прагматическими целями укрепления союза с Византией и, даже, имея в виду женить своего сына Святослава на какой-нибудь представительнице правящей в то время в Византии Македонской династии. О прибытии в Константинополь сообщает император Константин Багрянородный в своем сочинении «Церемонии». Он именует Ольгу правителем (архонтиссой) Руси. Имя Святослава упоминается без титула. Видимо, визит в Византию не принёс желаемых результатов, так как русские летописи сообщают о холодном отношении Ольги к византийским послам в Киеве вскоре после своего возвращения из Византии. С другой стороны, в сочинении «Продолжатель» Феофана, содержится рассказ, о том, что при отвоевании Крита у арабов при императоре Романе II (сын и соправитель Константина Багрянородного) в составе византийской армии действовал большой отряд руссов. Это может свидетельствовать о том, что одним из результатов визита Ольги в Константинополь была соответствующая договоренность об участии славянской дружины в этой операции.
Еще одним важным итогом визита в Византию было принятие Ольгой христианства. Дата и обстоятельства крещения Ольги остаются неясными. Можно предполагать, что решение о принятии веры Ольга приняла заранее. Летописная же легенда представляет это решение как спонтанное. Повесть Временных лет относит это событие к 955 г., хотя византийские авторы датируют это событие 957 г. Согласно большинству византийских источников, княгиня Ольга приняла крещение в Константинополе осенью 957 г., и крестили её, вероятно, Роман II и патриарх Полиевкт. Вот что сообщают византийские хронисты: «И жена некогда отправившегося в плаванье против ромеев русского архонта, по имени Эльга, когда умер её муж, прибыла в Константинополь. Крещеная и открыто сделавшая выбор в пользу истинной веры, она, удостоившись великой чести по этому выбору, вернулась домой».
В крещении Ольга получила имя Елена в честь матери императора Константина Великого. Русские летописи украшают обстоятельства крещения историей о том, как мудрая Ольга перехитрила византийского императора. Якобы тот, подивившись её разуму и красоте, захотел взять Ольгу в жены, но княгиня отвергла притязания, заметив, что не подобает христианам за язычников свататься. Тогда-то и крестили её император с патриархом. Когда он снова стал домогаться княгини, та указала на то, что она теперь приходится ему крёстной дочерью. Тогда император богато одарил её и отпустил домой. Однако, эти легенды не имеют фактического подтверждения. К моменту предполагаемого крещения Ольги и император Константин Багрянородный и Роман II были женаты. Представить себе, что ради свадьбы на вчерашней язычнице кто-то из них решился бы на официальный развод достаточно трудно.
Обратно русское посольство направилось поздней осенью 957 г. посуху – через Болгарию, Угорскую землю и южные русские степи. Вернувшись, Ольга передала власть своему сыну Святославу, которому исполнилось 16 лет. Дабы соблюсти все формальности, она женила сына на дочери угорского князя Такошня – Предславе.
