З 1993 по 1998 навчався в Київському національному економічному університеті. У 2008 стає співзасновником компанії Край Кінема. У 2008 знімає навчальний короткометражний фільм "Чудовий день для рибки-бананки", у 2009 - "Ріг Бика". У 2012 дебютував зі своїм першим повнометражним фільмом "Гамер" на міжнародному фестивалі в Роттердамі. "Гамер" - це фільм про хлопців геймерів. Головний герой цього фільму більшість свого часу проводить за комп'ютерною грою Quake, що дуже шкодить його навчанню в технікумі. Його мати вважає його ні на що не здібним і не кращим за батька, який покинув сім'ю. Бюджет фільму становив 20 000 доларів і ролі в ньому грали справжні геймери. Того ж 2012 року картина отримала премію Гільдії кінознавців і кінокритиків на фестивалі "Дух вогню" в Ханти-Мансійську. У 2013 році на кінофестивалі в Одесі Олег Сенцов представив свій новий проєкт - "Носоріг". Цей проєкт виграв премію в 25 тисяч гривень. Носоріг - це хлопець, батько якого постійно пив, а потім ще й сидів, мати весь час сварилася, старший брат помер на війні, у сестри життя теж не склалося, тож не дивно, що хлопчик, який ріс у такій сім'ї, коли подорослішав - перетворився на носорога. Основні події ігрового фільму відбуваються на початку 1990-х у бандитському середовищі. Робота над цим проєктом була призупинена активною участю Олега в протестах. У лютому 2022 року популярний стримінговий сервіс Netflix придбав права на показ фільму "Носоріг".

Відтоді як почався Євромайдан, Сенцов став його активним учасником. Зокрема, він приєднується до активістів Автомайдану. А після початку тимчасової анексії Криму Росією він часто їздив до рідного Сімферополя, де намагався організувати мітинги "За єдину країну", а також постачав продуктами й усім необхідним українських військових, що перебували в Криму.

10 травня 2014 року був затриманий у Сімферополі російськими силовими структурами і 25 серпня 2015 року засуджений за звинуваченням у тероризмі до 20 років позбавлення волі з відбуванням покарання в колонії суворого режиму.

У червні 2015 року в київському видавництві Laurus вийшла книга оповідань Олега Сенцова, написаних до його ув'язнення в Росії. До збірки увійшли вісім оповідань російською мовою: "Автобіографія", "Собака", "Дитинство"[11], "Лікарня", "Школа", "Заповіт", "Бабуся", "Макари". Ініціаторами видання стали режисер Олесь Санін і продюсерка Анна Паленчук. Сім'я Сенцова отримає половину прибутку від продажу книги. Після ув'язнення Олег Сенцов також почав писати роман.

У 2017 вийшла книжка Олександра Мімрука "Олег Сенцов", яка складається зі спогадів людей, які добре знають Олега, з уривків його книжок і сценаріїв до фільмів, а також з виписок протоколів допитів свідків у його справі.

У 2019 році анонсовано вихід першого перекладу українською мовою творів Олега Сенцова "Життя", виданий завдяки ініціативі української продюсерки Анни Паленчук, спільними зусиллями "Видавництва Старого Лева" та Українського ПЕН. Українською мовою прозу переклав Сергій Осока. Цього ж року книга виходить німецькою, англійською та польською мовами.

7 вересня 2019 року був повернутий у рамках обміну російських злочинців з України на українських військовополонених із РФ.

З початку вторгнення Росії в Україну приєднався до лав Територіальної оборони України.