Ha dominato le gare di velocità femminile ai Campionati del mondo di ciclismo su pista tra il 1958 e il 1973, vincendo 6 medaglie d'oro, 5 d'argento e 3 di bronzo. Tra il 1956 e il 1973 ha vinto inoltre almeno 10 titoli nazionali.
Nata nella Russia Europea di Sud-ovest, dopo la seconda guerra mondiale si trasferisce con la famiglia a Mosca, dove il padre lavora come taxista. Gareggia in giovane età a livello nazionale nello sci di fondo con ottimi risultati e a 16 anni le viene conferito il titolo "Maestro Onorario dello Sport dell'URSS". Durante una gara soffre di congelamento ai piedi e abbandona lo sci per dedicarsi al ciclismo. Diventa la velocista più medagliata nei campionati mondiali su pista, in seguito anche Galina Careva e Victoria Pendleton avrebbero vinto sei ori, ma entrambe con un solo argento e un solo bronzo. Ermolaeva non poté esibire il proprio talento alle Olimpiadi, nelle quali le gare di velocità femminile su pista furono inserite per la prima volta ai Giochi del 1988 a Seul.
Per i successi che consegue come velocista su pista, Leonid Brezhnev le fa un dono personale di un'automobile. Dopo essersi laureata in ingegneria civile sposa Anatoly Vasiliev (in russo Анатолий Серге́евич Васильев), e il suo cognome diventa Vasilieva Ermolaeva.
Palmarès Ciclismo su pista - Velocità Mondiali 14 medaglie: 6 ori (Parigi 1958; Amsterdam 1959; Lipsia 1960; Zurigo 1961; Rocourt 1963; Marsiglia 1972) 5 argenti (Parigi 1964; San Sebastián 1965; Anversa 1969; Leicester 1970; Varese 1971) 3 bronzi (Amsterdam 1967; Roma 1968; San Sebastián 1973)
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