С 1993 года по 1998 год учился в Киевском государственном экономическом университете.
В 2011 году на вырученные деньги снял свой первый фильм «Гамер», сюжет которого повествует о геймере, который занимает второе место на чемпионате мира. Бюджет картины составил — 20 тысяч долларов США. Все роли актёры исполняли бесплатно. Премьера состоялась в симферопольском кинотеатре «Космос» и собрала полный зал зрителей. После выпуска фильма Олег закрыл свой компьютерный клуб.
«Гамер» был представлен на Роттердамском кинофестивале, также он был награждён призом Гильдии киноведов и кинокритиков на фестивале «Дух огня» в Ханты-Мансийске. На 3-м Одесском международным кинофестивале картина Сенцова была удостоена специального диплома жюри. В мае 2012 года «Гамер» получил приз 1 тысячу долларов США на 3-м международном кинофестивале в Трускавце.
В июле 2013 года Сенцов приступил к съёмкам нового фильма «Носорог» про детей 1990-х годов. Бюджет фильма составил 1 млн долларов США, из которых 43 % суммы было выделено правительством Украины.
Олег Сенцов являлся активистом Автомайдана. Во время крымского кризиса поддерживал движение за единую Украину, покупал и развозил продукты и предметы первой необходимости украинским воинским частям в Крыму, которые были заблокированы.
15 мая 2014 года Министерство иностранных дел Украины выразило возмущение задержанием Сенцова и потребовало освободить его. 19 мая российский КиноСоюз обратился к ФСБ с требованием освободить Олега Сенцова, с подобными требованиями выступил Национальный союз кинематографистов Украины, Конфедерация союзов кинематографистов стран СНГ и Балтии, Европейская киноакадемия. Во время 67-го Каннского международного кинофестиваля стенды кинорынка были увешаны портретами Сенцова.
«Международная амнистия» назвала арест Сенцова незаконным. 23 мая в Киеве, Одессе и Львове состоялись акции протеста у посольства и консульств России с требованиями освободить Александра Кольченко, Олега Сенцова и других задержанных активистов.
30 мая 2014 года ФСБ сообщила о задержании Сенцова и ещё троих подозреваемых. Как утверждает ФСБ, все они — члены «Правого сектора». В «Правом секторе» опровергли информацию о том, что Сенцов является членом их организации. По версии ФСБ, основной целью подозреваемых было совершение диверсионно-террористических актов в Симферополе, Севастополе и Ялте; в частности, взрывы в ночь с 8 на 9 мая 2014 года самодельных взрывных устройств возле «мемориала Вечного огня» и памятника Ленину в Симферополе, а также поджоги офисов общественной организации «Русская община Крыма» и представительства партии «Единая Россия» в Симферополе 14 и 18 апреля 2014 года.
6 июня 2014 года к задержанному Олегу Сенцову не был допущен украинский консул, поскольку в соответствии с законом «О гражданстве РФ» граждане, имеющие двойное гражданство, рассматриваются Россией как граждане только Российской Федерации. Гражданство России ранее было предоставлено всем крымчанам, не написавшим заявление об отказе.
10 июня 2014 года кинорежиссёры Педро Альмодовар, Вим Вендерс, Агнешка Холланд, Майк Ли, Кшиштоф Занусси, Анджей Вайда, Кен Лоуч и другие призвали президента России Владимира Путина и ряд высших должностных лиц гарантировать Сенцову безопасность, обнародовать его местонахождение, предъявить ему чёткие обвинения или освободить, а также провести прозрачное расследование его задержания.
28 июня 2014 года во время церемонии закрытия Московского международного кинофестиваля глава Национального союза кинематографистов Украины Сергей Тримбач обратился к Владимиру Путину с просьбой содействовать освобождению Олега Сенцова; к обращению присоединился президент фестиваля Никита Михалков.
С 3 по 9 сентября 2014 года в Киеве было запланировано проведение недели украинского кино в поддержку Олега Сенцова, в рамках которого будет показано восемь украинских фильмов-участников международных кинофестивалей последних лет: «Гамер», «Молитва о гетмане Мазепе», «Поводырь», «Истальгия», «Иван Сила», «Трубач», «Параджанов», «Хайтарма», а также альманах короткометражной документалистики «Вавилон 13».
10 сентября 2014 года глава Службы безопасности Украины Валентин Наливайченко сообщил о том, что Олег Сенцов наряду с лётчицей Надеждой Савченко и заместителем председателя УНА-УНСО Николаем Карпюком числятся в списках задержанных граждан Украины, которые были похищены или незаконно удерживались, или преследуемые, обмен которыми предусмотрен после достижения Минских договоренностей.
15 сентября 2014 года, будучи в заключении, Олег Сенцов был приглашён стать почётным членом жюри 62-го Международного кинофестиваля в Сан-Себастьяне.
9 октября 2014 года миссия Управления Верховного комиссара ООН по правам человека на Украине обнародовала доклад, в котором отметила, «что Сенцов по его собственным словам подвергался пыткам».
Согласно тексту обвинения, Сенцов и другие члены террористического сообщества готовились к совершению взрывов самодельных устройств в ночь на 9 мая 2014 года у мемориала «Вечного огня» и памятника Ленину в Симферополе, а также поджогов офисов общественной организации «Русская община Крыма» и представительства партии «Единая Россия» в Симферополе 14 и 18 апреля 2014 года с целью устрашения населения. Кроме того, Сенцов обвиняется в хранении оружия и боеприпасов, а также в приобретении и хранении взрывчатых веществ, которые должны были использоваться в ходе теракта. Александру Кольченко вменяются две статьи: «участие в террористическом сообществе» и «совершение теракта».
Сенцов не признал себя виновным в инкриминируемых ему преступлениях и назвал дело политическим и сфабрикованным.
В ходе суда Сенцов сообщил, что во время допросов у него жестко пытались выбить интересующие следствие показания, избивали руками, ногами, дубинкой, душили пакетом и даже угрожали изнасиловать. О применяемых в ходе следствия пытках также сообщил второй обвиняемый, левый активист Александр Кольченко.
19 августа 2015 года Европейская киноакадемия отправила письмо Владимиру Путину и руководителям силовых ведомств России, в котором потребовала немедленно освободить Олега Сенцова, которого обвиняют в организации терактов в Крыму. Послание подписали режиссеры Анджей Вайда, Вим Вендерс, Кшиштоф Занусси, Аки Каурисмяки, Майк Ли.
25 августа 2015 года Северо-Кавсказкий окружной военный суд приговорил Сенцова к 20 годам лишения свободы с отбыванием в колонии строгого режима.
7 октября 2016 года министерство юстиции России отказало в выдаче Олега Сенцова Украине, утверждая, что в соответствии с законом о присоединении Крыма к России Сенцов стал гражданином РФ. 6 февраля 2017 года Россия повторно отказалась выдать Сенцова и Александра Кольченко.
В феврале 2016 года Олег Сенцов был этапирован в Якутию для отбывания наказания.
В сентябре 2017 года переведён в «ФКУ ИК-18 УФСИН России по ЯНАО» в посёлке Харп (Ямало-Ненецкий автономный округ).
В октябре 2017 года этапирован в исправительную колонию № 8 «Белый медведь» в городе Лабытнанги (Ямало-Ненецкий автономный округ)
14 мая 2018 года, находясь в колонии «Белый медведь», Олег Сенцов объявил бессрочную голодовку, требуя освобождения 64 украинских политзаключённых, находящихся в заключении в России, при этом он не требует собственного освобождения.
5 октября в России заявили, что украинский политзаключенный Олег Сенцов прекратил голодовку. Позже Сенцов написал в заявлении, которое передал через своего адвоката Дмитрия Динзе, что прекращает голодовку с 6 октября 2018 года из-за угрозы начала его принудительного кормления.
"В связи с критическим состоянием моего здоровья, а также начавшимися патологическими изменениями во внутренних органах, в самое ближайшее время ко мне запланировано применение принудительного питания. Мое мнение при этом уже не учитывается - якобы я уже не в состоянии адекватно оценивать уровень здоровья и опасности, ему грозящей", - написал Сенцов.
"Насильственное кормление будет проводиться в рамках реанимационных мероприятий по спасению жизни пациента. В данных условиях я вынужден прекратить свою голодовку с завтрашнего дня, то есть с 6.10.18", - написал украинец.
"145 дней борьбы, минус 20 кг веса, плюс надорванный организм, но цель так и не достигнута. Я благодарен всем, кто поддерживал меня, и прошу прощения у тех, кого я подвел ... Слава Украине! ", - добавил Сенцов.
Как подчеркнул адвокат Сенцова Дмитрий Динзе: "Олег не хотел прекращать голодовку, это вынужденная мера".
7 сентября 2019 года был возвращен на родину в рамках обмена между Украиной и РФ.
Украинский политзаключенный Кремля Олег Сенцов стал лауреатом премии имени Сахарова за 2018 год.
Премия Сахарова за свободу мысли вручается за достижения в таких сферах, как защита прав человека, развитие демократии и отстаивание верховенства права, уважение к международному законодательству, защита прав меньшинств.
Сенцов стал первым украинцем, который получил ее.
09.09.2019