Окончил среднюю школу № 53 города Пензы.
С 1991 года по 1992 год - курсант Ленинградского высшего политического училища имени 60-летия ВЛКСМ внутренних войск МВД СССР.
В 1997 году Олег Мельниченко окончил Пензенский государственный педагогический институт имени В.Г. Белинского.
В период с 1997 года по 2001 год работал на кафедре истории древнего мира, средних веков и археологии ПГПИ имени В.Г. Белинского, пройдя путь от стажера-преподавателя до старшего преподавателя.
В 2001 – 2004 гг. Мельниченко занимал пост заместителя главы администрации Железнодорожного района города Пензы.
В 2004 году был назначен на должность специалиста-эксперта департамента по внутренней политике аппарата полномочного представителя Президента РФ в Дальневосточном федеральном округе.
С 2006 года по 2007 год Олег Владимирович исполнял обязанности начальника отдела по связям с общественностью правительства Пензенской области.
С января по апрель 2007 года являлся советником департамента по кадровым вопросам и организационному обеспечению аппарата полномочного представителя Президента РФ в Приволжском федеральном округе.
С апреля 2007 года по январь 2008 года - министр образования Пензенской области.
В январе по июнь 2008 года Олег Мельниченко занимал должность вице-губернатора Пензенской области.
С июня 2008 года по март 2009 года - заместитель председателя правительства Пензенской области.
С марта по апрель 2009 года - заместитель председателя правительства – начальник департамента информационной политики и средств массовой информации Пензенской области.
Распоряжением руководителя администрации Президента Российской Федерации С.Е.Нарышкина № 575 от 23 апреля 2009 года Олег Владимирович был назначен помощником полномочного представителя Президента Российской Федерации в Приволжском федеральном округе.
С октября 2009 года - действительный государственный советник Российской Федерации 3 класса.
С сентября 2013 года по сентябрь 2017 года – заместитель полномочного представителя Президента Российской Федерации в Приволжском федеральном округе.
С марта 2014 года - действительный государственный советник Российской Федерации 2 класса.
10 сентября 2017 года Олег Мельниченко был избран депутатом Законодательного Собрания Пензенской области шестого созыва от Пензенского регионального отделения политической партии «Единая Россия».
С сентября 2017 года является членом Совета Федерации ФС РФ, председателем Комитета Совета Федерации по федеративному устройству, региональной политике, местному самоуправлению и делам Севера. Представитель от законодательного (представительного) органа государственной власти Пензенской области.
В сентябре 2021 года избран губернатором Пензенской области.
Олег Владимирович награжден медалью Ордена «За заслуги перед Отечеством» II степени, благодарностью Президента Российской Федерации, благодарностью председателя Совета Федерации ФС РФ, медалью «За вклад в развитие уголовно-исполнительной системы России», медалью «90 лет ИНО-ПГУ-СВР», орденом «За заслуги перед Пензенской областью» II степени. Почетный работник высшего профессионального образования Российской Федерации.
Член Президиума Совета при Президенте РФ по межнациональным отношениям.
Член Президиума Совета при Президенте РФ по развитию местного самоуправления.
Член Совета при Президенте РФ по делам казачества.
Член комиссии при Правительстве РФ по региональному развитию.
Женат, воспитывает дочь.