Родился 26 сентября 1969 г. в гор. Вентспилсе Латвийской ССР (ныне Латвийская Республика).
В 1986 г. поступил в Ленинградский финансово-экономический институт им. Н. А. Вознесенского (ныне в составе Санкт-Петербургского государственного экономического университета, СПбГЭУ). Прерывал обучение из-за срочной службы в армии в 1988-1989 гг. В 1992 г. окончил вуз по специальности "планирование промышленности".
Кандидат экономических наук. В 2005 г. в СПбГЭУ защитил диссертацию на тему "Организация логистики поставок в вертикально интегрированных структурах корпоративного типа".
В 1990 г. начал работать в молодежном научно-техническом центре "Гран", в 1991 г. стал его директором. Затем до 1995 г. был директором петербургской фирмы ТОО "Экокон". В 1995-1996 гг. - консультант по экономическим вопросам торговой фирмы "СЗСП-94". Впоследствии был заместителем генерального директора строительной компании ОАО "Лагун".
В 1998-2000 гг. - заместитель коммерческого директора, коммерческий директор, начальник департамента по материально-техническому снабжению и транспорту ОАО "Ленэнерго".
В 2000 г. занимал должность заместителя директора ОАО "Грузовое автотранспортное предприятие номер №21" (Санкт-Петербург).
С 2000 по 2001 г. Олег Белозеров был начальником финансово-экономического отдела Аппарата полномочного представителя президента РФ в Северо-Западном федеральном округе. СЗФО в этот период возглавлял Виктор Черкесов.
В 2001-2002 гг. работал в должности заместителя директора по управлению корпоративным имуществом ОАО "ЛОМО", Санкт-Петербург (бывшее "Ленинградское оптико-механическое объединение").
С 2002 по 2004 г. - генеральный директор ОАО "Российская топливная компания" (Санкт-Петербург).
С июля по ноябрь 2004 г. занимал должность заместителя руководителя Федерального дорожного агентства (Росавтодор) Анатолия Насонова.
С 9 ноября 2004 г. по 17 марта 2009 г. возглавлял Росавтодор в правительствах Михаила Фрадкова (до сентября 2007 г.), Виктора Зубкова (2007-2008) и Владимира Путина (с мая 2008 г.).
17 марта 2009 г. был назначен заместителем министра транспорта РФ Игоря Левитина, сохранил пост после назначения в мае 2012 г. новым министром Максима Соколова. В ведомстве Олег Белозеров курировал дорожную инфраструктуру, а также вопросы обеспечения транспортом объектов зимних Олимпийских игр в Сочи 2014 г.
11 мая 2015 г. был назначен первым заместителем министра транспорта РФ.
20 августа 2015 г. распоряжением председателя правительства РФ Дмитрия Медведева назначен президентом ОАО "Российские железные дороги" (РЖД). Сменил на этом посту Владимира Якунина. С 17 ноября 2017 г., после переименования руководящей должности, стал генеральным директором - председателем правления компании. Под его руководством РЖД продолжило расширение пропускной способности Транссибирской и Байкало-Амурской магистралей и развитие Московского железнодорожного узла, включая открытие движения по четырем Московским центральным диаметрам (МЦД). В 2019 г. было открыто железнодорожное сообщение по Крымскому мосту.
Олег Белозеров - член Высшего совета Всероссийской политической партии "Единая Россия" (с 2017 г.).
Член правления, член бюро правления, председатель комиссии по транспорту и транспортной инфраструктуре Российского союза промышленников и предпринимателей.
Президент Федерации гимнастики России (избран 1 октября 2024 г.).
Действительный государственный советник РФ I класса (2011).
Награжден орденами Почета (2010), "За заслуги перед Отечеством" IV (2014), III (2019) и II (2024) степеней, а также медалью ордена "За заслуги перед Отечеством" I степени (2006). Отмечен благодарностями правительства (2016, 2019) и президента РФ (2017).