Родился 28 декабря 1970 г. в Риге (Латвийская ССР, ныне Латвийская Республика) в семье военного инженера. Детство провел в г. Ленинске Казахской ССР (ныне Байконур, Республика Казахстан), где служил его отец.
В 1990 г. окончил Таллинский политехникум (Эстония) по специальности "электрооборудование промышленных предприятий и установок". В 1998 г. - Московский государственный технический университет им. (МГТУ) Н. Э. Баумана по специальности "техника и физика низких температур". В 2009 г. получил второе высшее образование в Российской академии государственной службы при президенте РФ (ныне Российская академия народного хозяйства и государственной службы при президенте РФ), окончив ее по специальности "управление персоналом".
Кандидат экономических наук. В 2017 г. в Юго-Западном государственном университете (ЮЗГУ, г. Курск) защитил диссертацию на тему "Управление инновационной деятельностью высокотехнологичных производств".
В 1990 г. работал электромонтером промышленного оборудования на заводе "Двигатель" Минсредмаша СССР в Таллине.
С 1990 по 1991 г. проходил срочную военную службу механиком-водителем в воинской части Прибалтийского военного округа в Вильнюсе (Литва). Затем работал водителем в административно-хозяйственной части МГТУ им. Н. Э. Баумана.
С 1998 г. был инженером-испытателем 293-го отдела Ракетно-космической корпорации (РКК) "Энергия" им. С. П. Королева в подмосковном г. Королеве. Занимался разработкой бортовой документации и экспериментальной отработкой методик и оборудования внекорабельной деятельности (ВКД) в условиях моделирования невесомости. Принимал участие в подготовке к старту (был запущен в июле 2000 г.) служебного модуля "Звезда" Международной космической станции (МКС) в части ВКД и технического обслуживания и ремонта, а также в подготовке экипажей МКС к выходам в открытый космос.
29 мая 2003 г. Олег Артемьев был зачислен в отряд космонавтов РКК "Энергия". 7 июля 2005 г., после прохождения общекосмической подготовки в Центре подготовки космонавтов (ЦПК) им. Ю. А. Гагарина, получил квалификацию космонавта-испытателя. С ноября 2005 г. по январь 2011 г. занимал должность космонавта-испытателя 291-го отдела (отряда космонавтов) РКК "Энергия".
Участвовал в проекте Института медико-биологических проблем РАН "Марс-500" по имитации пилотируемого полета на Красную планету. Входил в состав экипажей 14-суточного технического (2007) и 105-суточного подготовительного (2009) экспериментов.
Был задействован в барокамерных испытаниях скафандра "Орлан-МК" в подмосковном Научно-производственном предприятии "Звезда" (2008).
В январе 2011 г., после образования единого отряда российских космонавтов на базе ЦПК им. Ю. А. Гагарина, был назначен космонавтом-испытателем. Имеет квалификацию космонавта II класса. В настоящее время занимает должность инструктора-космонавта-испытателя II класса отряда космонавтов Роскосмоса.
Свой первый полет в космос Олег Артемьев совершил в марте - сентябре 2014 г. в качестве бортинженера корабля "Союз ТМА-12М" и 39/40-й основной экспедиции на МКС вместе с Александром Скворцовым и американским астронавтом Стивеном Свонсоном. Вместе со Скворцовым дважды выходил в открытый космос. Во время одного из выходов Артемьев вручную запустил в космос наноспутник, изготовленный ЮЗГУ и Национальным инженерным университетом (Перу).
В марте - октябре 2018 г. был командиром корабля "Союз МС-08" и бортинженером экспедиции МКС-55/56. Другими членами экипажа являлись американские астронавты Эндрю Фойстел и Ричард Арнольд. Артемьев участвовал в одном выходе в открытый космос, во время которого были запущены университетские наноспутники "Танюша-ЮЗГУ-3", "Танюша-ЮЗГУ-4", а также два образовательных наноспутника SiriusSat ("СириусСат").
18 марта - 29 сентября 2022 г. выполнил третий космический полет в качестве командира корабля "Союз МС-21" и экспедиции МКС-67. Олег Артемьев стал вторым специальным корреспондентом ТАСС на орбите Земли. С его полетом на МКС возобновилась работа корпункта российского информационного агентства на станции, который был открыт в декабре 2021 г. Александром Мисуркиным в ходе краткосрочного полета на станцию вместе с двумя космическими туристами из Японии.
В общей сложности за три полета Олег Артемьев провел в космосе 560 суток 18 часов 7 минут, совершил восемь выходов в открытый космос (суммарное время - 52 часа 57 минут).
Карьеру космонавта Артемьев совмещает с общественной деятельностью. 8 сентября 2019 г. он был избран депутатом Московской городской думы VII созыва по избирательному округу №29 (Бирюлево Восточное, Бирюлево Западное, часть района Царицыно). Является членом фракции партии "Единая Россия".
Герой РФ (2016). Летчик-космонавт РФ (2016). Награжден орденами "За заслуги перед Отечеством" IV степени (2020), Гагарина (2024).
Почетный гражданин городов: Гагарин (Смоленская обл., 2015), Байконур (Казахстан, 2015), Снежинск (Челябинская обл., 2018).
Почетный профессор Юго-Западного государственного университета (2015).
Олег Артемьев ведет в интернете блог под названием "Записки космонавта", написал книгу "Космос и МКС: как все устроено на самом деле" (2019).
Его имя носит первый байконуровский отряд всероссийского военно-патриотического движения "Юнармия", образованный в феврале 2019 г. в средней школе №1 им. Г. М. Шубникова.