Олег Мельниченко родился 21 мая 1973 года в Пензе. Окончил Ленинградское высшее политическое училище имени 60-летия ВЛКСМ внутренних войск МВД СССР. А затем – ПГПУ имени В.Г. Белинского. С 1997 года по 2001 год преподавал там на истфаке. Далее четыре года работал заместителем главы администрации Железнодорожного района Пензы.
В 2004-ом на два года уехал работать в полпредство президента в Дальневосточном федеральном округе. В 2006 году вернулся в Пензу и трудился в правительстве региона – курировал вопросы связи с общественностью и внутренней политики.
В 2007 году стал советником аппарата полномочного представителя президента Российской Федерации в Приволжском федеральном округе. С апреля этого же года по январь 2008-го – министр образования Пензенской области.
С января по июнь 2008 Олег Мельниченко был вице-губернатором Пензенской области. С июня по март 2009 года – заместителем председателя правительства Пензенской области.
С марта по апрель 2009-го – заместитель председателя правительства – начальник департамента информационной политики и средств массовой информации Пензенской области. А с апреля по сентябрь он занимал должность помощника полномочного представителя президента Российской Федерации в Приволжском федеральном округе.
С сентября 2013-го по сентябрь 2017 года Олег Мельниченко находился на должности заместителя полномочного представителя президента Российской Федерации в Приволжском федеральном округе. А 10 сентября 2017-го был избран депутатом Законодательного Собрания Пензенской области шестого созыва от регионального отделения «Единой России».
С 26 сентября 2017 года стал сенатором Российской Федерации, представителем от законодательного органа государственной власти Пензенской области. А 24 октября 2017 года члены Комитета Совета Федерации по федеративному устройству, региональной политике, местному самоуправлению и делам Севера единогласно утвердили кандидатуру Олега Владимировича Мельниченко в качестве председателя комитета.
Временно исполняющий обязанности губернатора Пензенской области Олег Мельниченко - выпускник второго потока так называемой «школы губернаторов». Программа подготовки кадрового управленческого резерва государственной службы стартовала в июне 2017 года на базе Высшей школы государственного управления.
Не единожды входил в топ-50 медиарейтинга членов Совета Федерации.
С мая 2019 года стал первым заместителем председателя высшего совета Всероссийской ассоциации развития местного самоуправления.
Имеет медаль ордена «За заслуги перед Отечеством» II степени, Орден Дружбы, благодарственное письмо президента Российской Федерации и ряд других наград.
Женат, воспитывает дочь.