Родился 9 мая 1949 г. в селе Хворостянка Куйбышевской области СССР (ныне Самарская область РФ).
В 1973 г. окончил лечебный факультет 1-го Московского медицинского института им. И. М. Сеченова (ныне Первый Московский государственный медицинский университет имени И. М. Сеченова) и получил специальность врача-кардиолога.
В 1973-1975 гг. обучался в клинической ординатуре, в 1975-1978 гг. - в аспирантуре Института клинической кардиологии им. А. Л. Мясникова Всесоюзного кардиологического научного центра Академии медицинских наук СССР (ВКНЦ АМН СССР; ныне Национальный медицинский исследовательский центр кардиологии имени академика Е. И. Чазова Минздрава РФ).
Доктор медицинских наук (в 1978 г. защитил кандидатскую диссертацию, в 1986 г. - докторскую диссертацию), профессор кардиологии (1991).
В 2016 г. был избран членом-корреспондентом Российской академии наук (РАН), в 2022 г. - академиком РАН.
С 1978 г. - младший научный сотрудник, с 1982 г. - старший научный сотрудник клинико-функционального отдела, с 1984 г. - руководитель лаборатории функциональных методов исследования, с 1987 г. - начальник отдела новых методов диагностики и исследований Института клинической кардиологии ВКНЦ АМН СССР.
Одновременно с основной деятельностью занимался в Центре подготовки космонавтов (ЦПК) им. Ю. А. Гагарина изучением сердечно-сосудистой системы космонавтов, выполнивших длительные орбитальные полеты.
9 марта 1983 г. был зачислен в отряд космонавтов ЦПК в рамках спецнабора АМН СССР для полета в космос врача-кардиолога. Прошел подготовку в составе группы космонавтов по программе ДОС (долговременной орбитальной станции) "Салют-7".
Олег Атьков - космонавт II класса. 8 февраля - 2 октября 1984 г. он совершил космический полет продолжительностью 236 дней 22 часа 49 минут в качестве космонавта-врача-исследователя 3-й основной экспедиции (ЭО-3) на ДОС "Салют-7" (стартовал на корабле "Союз Т-10", вернулся на "Союзе Т-11"). Командиром ЭО-3 был Леонид Кизим, бортинженером - Владимир Соловьев. Экипаж принял две краткосрочные экспедиции, участниками которых были Юрий Малышев, Геннадий Стрекалов, первый космонавт Индии Ракеш Шарма (посетили "Салют-7" в апреле 1984 г.) и Владимир Джанибеков, Светлана Савицкая, Игорь Волк (в июле 1984 г.). В ходе полета Олег Атьков следил за состоянием здоровья экипажей, проводил исследования с целью разработки оптимальных режимов труда и отдыха космонавтов в условиях длительного пребывания в невесомости.
С 1984 г. Олег Атьков руководил лабораторией функциональных методов исследований Института клинической кардиологии ВКНЦ АМН СССР. В 1990 г. возглавил в институте отдел новых методов диагностики.
В 1991-2003 гг. - президент Российской ассоциации специалистов ультразвуковой диагностики в медицине. С 2000 г. являлся президентом Российской ассоциации телемедицины.
В 2003 г. возглавил департамент здравоохранения Министерства путей сообщения РФ. С 2005 г. был вице-президентом по здравоохранению и социальным вопросам ОАО "Российские железные дороги", ушел из компании в 2016 г.
В настоящее время заведует кафедрой профпатологии и производственной медицины Российской медицинской академии непрерывного профессионального образования.
Член отделения медицинских наук Российской академии наук. С 12 марта 2024 г. - член бюро научного совета РАН "Биомедицинская физика и инженерия".
Главный редактор журнала "Визуализация в клинике".
Олег Атьков - специалист в области исследования сердечно-сосудистой системы человека в условиях экстремальных факторов и интенсивных технологий, автор и соавтор около 200 научных трудов, многих изобретений и патентов.
Герой Советского Союза (1984). Награжден орденом Ленина (1984), медалью "За заслуги в освоении космоса" (2011).
Лауреат премии Ленинского комсомола (1978), Государственной премии СССР (1989), премий правительства РФ 2006 и 2012 годов в области науки и техники.
В число его наград также входят орден "Кирти Чакра" (Индия, 1984), Золотая медаль имени К. Э. Циолковского АН СССР (1987).
Заслуженный деятель науки РФ (2007).
Почетный житель с. Хворостянки (1987), почетный гражданин Байконура (Казахстан, 1984), Гагарина (Смоленская область, 1986) и других городов.