Spanjorerna tryckte på från start och Olsen tvingades tidigt till en fin räddning när Isco spelades helt ren på en passning från Luka Modric.
I den 38:e minuten nådde Sergio Ramos högst på en hörna, men svensken tippade bollen över ribban.
Roma såg ut att gå till pausvila med ett kryss, men då fick Real Madrid en frispark i ett farligt läge precis utanför straffområdet. Isco stegade fram med kort ansats och skruvade vackert in 1–0. En stillastående och chanslös Olsen kunde bara titta på.
Tidigt i den andra halvleken var Gareth Bale nära att öka på, men dunkade bollen i ribban från nära håll. I stället slog walesaren till efter en knapp timme när han fick springa på en djupledsboll och med ett välriktat skott vid bortre stolpen kunde placera in 2–0.
Olsen såg ut att hålla siffrorna nere, bland annat med en fin fotparad när Marco Asensio störtade fram med tio minuter kvar, men på stopptid kom också 3–0.
Inhopparen Mariano Diaz – Reals nye nummer sju sedan Ronaldo lämnat för Juventus – skar in från vänsterkanten och fastställde snyggt slutresultatet.
– Det var tufft att stå här efter en 0–3-förlust, även om det är mot det bästa laget i världen. De hade mycket bollinnehav och vi sjönk i banan. Det var frustrerande att inte få till vårt spel när de bara kunde rulla runt, säger Robin Olsen till Viasat.