Родился 26 сентября 1969 г. в г. Вентспилс Латвийской ССР (ныне - Латвия) в семье врачей.
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. был консультантом по экономическим вопросам торговой фирмы "СЗСП-94", а затем - 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 г. 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", г. Санкт-Петербург (бывшее "Ленинградское оптико-механическое объединение").
С 2002 г. 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. 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.
Член Высшего совета Всероссийской политической партии "Единая Россия" (с 2017 г.).
Член попечительского совета Российского футбольного союза (с 2019 г.).
Сопредседатель Совета делового сотрудничества Россия – Франция с российской стороны.
Согласно данным декларации, доход Олега Белозерова в 2014 г. составил 12 млн 132 тыс. рублей (супруги - 12 млн 133 тыс. рублей). В собственности у него находились земельный участок, дача и квартира площадью 214,8 кв. м. В 2015 г. Белозеров заработал 86 млн 218 тыс. руб., больше половины из которых были получены от продажи квартиры, дачи и участка. Супруга заработала 19 млн 442 тыс. руб.
Действительный государственный советник РФ 1 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).
Женат. Супруга - Ольга. Сын Матвей (род. 1996) и дочь Вероника (род. 2001).