С 1993 по 1998 учился в Киевском национальном экономическом университете. В 2008 становится соучредителем компании Край Кинема. В 2008 снимает учебный короткометражный фильм "Чудесный день для рыбки-бананки", в 2009 - "Рог Быка". В 2012 дебютировал со своим первым полнометражным фильмом "Гамер" на международном фестивале в Роттердаме. "Гамер" - это фильм о парнях геймерах. Главный герой этого фильма большинство своего времени проводит за компьютерной игрой Quake, что очень вредит его учебе в техникуме. Его мать считает его ни на что не способным и не лучше отца, покинувшего семью. Бюджет фильма составлял 20 000 долларов и роли в нем играли настоящие геймеры. В том же 2012 картина получила премию Гильдии киноведов и кинокритиков на фестивале "Дух огня" в Ханты-Мансийске. В 2013 году на кинофестивале в Одессе Олег Сенцов представил свой новый проект - "Носорог". Этот проект выиграл премию в 25 тысяч гривен. Носорог - это парень, отец которого постоянно пил, а потом еще и сидел, мать все время ссорилась, старший брат умер на войне, у сестры жизнь тоже не сложилась, поэтому неудивительно, что мальчик, который рос в такой семье, когда повзрослел - превратился в носорога. Основные события игрового фильма происходят в начале 1990-х в бандитской среде. Работа над этим проектом была приостановлена активным участием Олега в протестах. В феврале 2022 года популярный стриминговый сервис Netflix приобрел права на показ фильма "Носорог".

С тех пор как начался Евромайдан, Сенцов стал его активным участником. В частности, он присоединяется к активистам Автомайдана. А после начала временной аннексии Крыма Россией он часто ездил в родной Симферополь, где пытался организовать митинги "За единую страну", а также снабжал продуктами и всем необходимым украинских военных, которые находились в Крыму.

10 мая 2014 года был задержан в Симферополе российскими силовыми структурами и 25 августа 2015 года приговорен по обвинению в терроризме к 20 годам лишения свободы с отбыванием наказания в колонии строгого режима.

В июне 2015 года в киевском издательстве Laurus вышла книга рассказов Олега Сенцова, написанных до его заключения в России. В сборник вошли восемь рассказов на русском языке: "Автобиография", "Собака", "Детство"[11], "Больничка", "Школа", "Завещание", "Бабушка", "Макары". Инициаторами издания стали режиссер Олесь Санин и продюсер Анна Паленчук. Семья Сенцова получит половину прибыли от продажи книги. После заключения Олег Сенцов также начал писать роман.

В 2017 вышла книга Александра Мимрука "Олег Сенцов", которая состоит из воспоминаний людей, которые хорошо знают Олега, из отрывков его книг и сценариев к фильмам, а также из выписок протоколов допросов свидетелей по его делу.

В 2019 году анонсирован выход первого перевода на украинский язык произведений Олега Сенцова "Жизня", изданный благодаря инициативе украинского продюсера Анны Паленчук, совместными усилиями "Издательства Старого Льва" и Украинского ПЕН. На украинский язык прозу перевел Сергей Осока. В этом же году книга выходит на немецком, английском и польском языках.

7 сентября 2019 года был возвращен в рамках обмена российских преступников из Украины на украинских военнопленных из РФ.

С начала вторжения России в Украину присоединился в ряды Территориальной обороны Украины.