Родился 3 октября 1966 г. в Москве.
В 1988 г. окончил Московский электротехнический институт связи (ныне Московский технический университет связи и информатики) по специальности "радиоинженер", в 1989 г. - центр при Московском институте народного хозяйства (ныне Российский экономический университет) им. Г. В. Плеханова по специальности "экономическое управление исследовательскими и конструкторскими разработками", в 2007 г. - Московскую государственную юридическую академию (ныне Московский государственный юридический университет им. О. Е. Кутафина) по специальности "юриспруденция".
Доктор исторических наук. В 2002 г. в Московском педагогическом государственном университете защитил кандидатскую диссертацию на тему "Власть и пресса в СССР и Российской Федерации, 1985-1999 гг.", в 2004 г. там же - докторскую диссертацию на тему "Формирование и реализация информационной политики в СССР и Российской Федерации: 1917-1999 гг.".
В 1988-1989 гг. работал инженером-конструктором в Институте космических исследований Академии наук СССР.
С 1989 г. занимался предпринимательской деятельностью, в частности до 1993 г. был президентом фирмы "Вестфалия клуб". В 1993 г. стал соучредителем и членом совета директоров АОЗТ "Народный концерн "Нефтяной альянс". В 1994 г. был назначен заместителем председателя совета банка "Нефтяной альянс". В том же году стал руководителем АОЗТ "Эксперт". Участвовал в поставках военной авиатехники в Малайзию, владел рядом агропромышленных производств, позднее приобретал акции промышленных предприятий для перепродажи их консолидированных пакетов более крупным инвесторам.
В 1997-2003 гг. - председатель совета директоров ОАО "Информационно-издательская группа "Новые Известия", выпускавшего одноименную газету на средства предпринимателя Бориса Березовского и ряда других бизнесменов. В 2003 г. Митволь обвинил главного редактора "Новых Известий" Игоря Голембиовского в финансовых махинациях и отстранил его от должности. В том же году акции газеты были куплены ОАО "Группа Альянс" Мусы Бажаева.
С апреля 2004 г. по июль 2009 г. Олег Митволь занимал должность заместителя руководителя Федеральной службы по надзору в сфере природопользования (Росприроднадзор, до июня 2005 г. возглавлял Вячеслав Волох, затем - Сергей Сай, с января 2008 г. - Владимир Кириллов). Деятельность Олега Митволя в должности замруководителя Росприроднадзора была связана с рядом громких скандалов. Он инициировал кампанию по ликвидации коттеджей, построенных без разрешения в водоохранной зоне в Подмосковье, обвинял в нарушении природоохранного законодательства ряд крупных компаний ("Лукойл", Total, "Русснефть", "Норникель", РЖД, "Транснефть", LG, Oriflame и др.). Осенью 2006 г. замглавы Росприроднадзора добился отмены положительной экологической экспертизы газодобывающего проекта "Сахалин-2", который пытался реализовать консорциум во главе с британской компанией Shell. Претензии к проекту были сняты после того, как блокирующий пакет в нем получил "Газпром". В сентябре 2008 г. Олег Митволь был уволен из Росприроднадзора в связи с сокращением штата, однако пытался опротестовать свою отставку в суде. Окончательно покинул ведомство в июле 2009 г., подав заявление об уходе по собственному желанию.
В 2000-х гг. под научным руководством Митволя кандидатские диссертации по истории защитили Сергей Абрамов, в то время премьер-министр Чечни, и сенатор и совладелец "Русской медиагруппы" Виталий Богданов.
В ноябре 2008 г. Олег Митволь выступал в поддержку защитников Химкинского лесопарка от масштабной вырубки в ходе строительства платной автодороги Москва - Санкт-Петербург.
В январе 2009 г. возглавил экологическое движение "Зеленая альтернатива".
В мае 2009 г. Митволь заявил о намерении участвовать в досрочных выборах главы Одинцовского района Московской области. Однако в июне того же года Одинцовский городской суд по представлению прокуратуры Московской области отменил досрочные выборы в районе.
С июля 2009 г. по октябрь 2010 г. Олег Митволь занимал должность префекта Северного административного округа Москвы в ранге министра столичного правительства.
11 октября 2009 г. баллотировался в Московскую городскую думу от партии "Единая Россия" (членом партии не являлся), возглавлял список региональной группы №2. После избрания отказался от депутатского мандата.
4 декабря 2011 г. участвовал в выборах депутатов Государственной думы РФ VI созыва. Занимал девятую позицию в списке "Единой России" по Пермскому краю. По итогам распределения мандатов в Госдуму не прошел.
24 декабря 2011 г. Олег Митволь участвовал в оппозиционном митинге "За честные выборы", прошедшем на проспекте Академика Сахарова в Москве.
В 2012-2015 гг. - председатель центрального совета политической партии "Альянс зеленых - народная партия". Она была создана экс-чиновником в апреле 2012 г. на базе экологического движения "Зеленая альтернатива". 23 мая 2012 г. объединение было зарегистрировано в Министерстве юстиции РФ. В ноябре 2015 г. центральный совет отстранил Олега Митволя от должности председателя "за утрату связи с партией", обвинив его в уклонении от участия в деятельности организации. Митволь пытался опротестовать свое отстранение в судебном порядке, однако безрезультатно. В апреле 2016 г. он вышел из Альянса зеленых. 14 июня 2019 г. Верховный суд РФ принял решение о ликвидации партии.
14 октября 2012 г. Олег Митволь принял участие в досрочных выборах главы городского округа Химки Московской области. Баллотировался от партии "Альянс зеленых - народная партия". По итогам голосования с результатом 14,45% занял третье место. На выборах победил врио мэра города Олег Шахов (47,61%). Одновременно Олег Митволь во главе списка своей партии выдвигался на выборах депутатов Госсовета Удмуртской Республики V созыва. Однако по итогам голосования не прошел в парламент.
В феврале 2013 г. сотрудники полиции провели обыски в загородном доме Олега Митволя и квартире его матери по делу о злоупотреблении полномочиями бывшим гендиректором ГУП "Управление дорожного хозяйства и благоустройства "Фрунзенское" Северного административного округа Москвы. О дальнейшем развитии дела не сообщалось.
8 сентября 2013 г. Олег Митволь во главе списка партии "Альянс зеленых - народная партия" безуспешно баллотировался в Законодательное собрание Владимирской области VI созыва и Ярославскую областную думу VI созыва.
С 2015 г., по данным "Спарк-Интерфакс", экс-чиновник является владельцем ООО "Компания "Полигон". В июне 2020 г. связанное с ней АО "Полигон" заявило о планах построить площадку по утилизации промышленных отходов в 10 км от Красноярска. После протестов жителей местная администрация отказалась от реализации проекта.
18 сентября 2016 г. Олег Митволь участвовал в выборах депутатов Госдумы РФ VII созыва. Возглавлял список "Российской экологической партии "Зеленые", также баллотировался по Медведковскому одномандатному округу №200 в Москве. В Госдуму не прошел. Список партии не преодолел 5-процентный барьер (0,76%). В округе с результатом 13,21% голосов избирателей Олег Митволь занял четвертое место из 10 кандидатов (победу одержал кандидат КПРФ Денис Парфенов - 19,11%).
Осенью 2018 г. Олег Митволь выдвигал свою кандидатуру на повторных выборах губернатора Приморского края. 24 ноября избирком Приморья отказал ему в регистрации в связи с недостаточным количеством достоверных подписей муниципальных депутатов и глав районов для прохождения муниципального фильтра.
В 2018 г. Митволь приобрел акции и стал председателем совета директоров Красноярского треста инженерно-строительных изысканий (ТИСИЗ). В сентябре 2019 г. краевое транспортное управление заключило контракт с этой компанией на проведение работ по корректировке проектно-сметной документации строительства красноярского метрополитена. Его стоимость составила около 954 млн руб.
10 июня 2022 г. Центральный райсуд Красноярска арестовал Олега Митволя по обвинению в мошенничестве в особо крупном размере (ч. 4 ст. 159 УК РФ) при проектировании и подготовке к строительству красноярского метрополитена. По версии следствия, Митволь как руководитель подрядной организации, создал видимость выполнения работ. В декабре 2019 г. заказчику были представлены фиктивные результаты инженерных изысканий и проектная документация. Для создания видимости исполнения обязательств Красноярский ТИСИЗ направил в Главгосэкспертизу России результаты инженерных изысканий, проектную и сметную документацию, подготовленную институтом "Харьковметропроект" для Красноярска еще в 1989 г. Кроме того, были представлены сфальсифицированные документы о завершении работ по бурению скважин, запланированных программой инженерно-геологических изысканий.
31 мая 2023 г. следователи ФСБ завершили расследование уголовного дела в отношении Олега Митволя.
5 июля 2023 г. Пятый апелляционный суд общей юрисдикции смягчил меру пресечения Олегу Митволю с СИЗО на домашний арест. 1 сентября стало известно, что Митволь признал вину в хищении свыше 900 млн руб. Его уголовное дело было направлено в Железнодорожный районный суд Красноярска для рассмотрения в особом порядке.
14 сентября 2023 г. Железнодорожный райсуд Красноярска признал Олега Митволя виновным в хищениях при строительстве метро в Красноярске и приговорил его по ч. 4 ст. 159 УК РФ к 4 годам и 6 месяцам лишения свободы с отбыванием в колонии общего режим. Митволь был взят под стражу в зале суда. С него также взыскали 952 млн руб. по гражданским искам и наложили арест на имущество.
Имеет классный чин действительного государственного советника РФ III класса (2008)
Олег Митволь выступал как продюсер музыкального альбома "Я буду ждать тебя всегда" (2007), записанного его женой Людмилой.