Впервые Чехов увидел свою будущую супругу в 1898 году в Москве, на сцене недавно открывшегося Художественного театра, – она играла Ирину в пьесе Алексея Константиновича Толстого «Царь Фёдор Иоаннович». Под впечатлением её актёрского искусства Чехов писал из Ялты своему издателю: «Ирина, по-моему, великолепна. Голос, благородство, задушевность – так хорошо, что даже в горле чешется... Если бы я остался в Москве, то влюбился бы в эту Ирину».
Познакомились они на следующий год. И снова Чехов любовался ей на сцене – теперь уже в своей «Чайке», где она играла Аркадину. Ему был 41 год, ей – 32. Между ними начался почтовый роман. Эпистолярное наследие последней любви Чехова насчитывает более 433 его письма и телеграммы и более 400 её посланий.
Любовь на расстоянии закончилась свадьбой. Венчание было тайным, это было условие Чехова. «Если даёшь слово, – писал он, – что ни одна душа в Москве не будет знать о нашей свадьбе до тех пор, пока она не свершится, – то я повенчаюсь с тобой хоть в день приезда. Ужасно почему-то боюсь венчания и поздравлений, и шампанского, которое нужно держать в руке и при этом неопределённо улыбаться».
После свадьбы они прожили вместе шесть месяцев, затем Ольга Леонардовна уехала в Москву – работать, а Антон Павлович остался в Ялте. «Если мы теперь не вместе, то виноваты в этом не я и не ты, а бес, вложивший в меня бацилл, а в тебя любовь к искусству», – писал Чехов жене. Последние две свои пьесы – «Три сестры» и «Вишнёвый сад» – он написал для неё.
В одном из своих писем Чехов обратился к Ольге Леонардовне со словами: «Здравствуйте, последняя страница моей жизни, великая артистка земли русской». Как врач, он понимал, что жить ему осталось недолго.
Брак их продолжался до смерти Чехова 15 июля 1904 года. Ольга Книппер-Чехова пережила мужа на 55 лет, больше замуж она не вышла.