Родился 13 октября 1944 г. в с. Пресновка (Северо-Казахстанская обл. Казахской ССР, ныне - Казахстана).
1968 г. окончил Куйбышевский авиационный институт им. С. П. Королёва (ныне - Самарский университет), в 1987 г. - Академию народного хозяйства при Совете Министров СССР (ныне - Российская академия народного хозяйства и государственной службы при Президенте Российской Федерации, Москва).
Кандидат экономических наук.
В 1968-1981 гг. работал на различных должностях на предприятиях Министерства авиационной промышленности (МАП) СССР - был мастером, начальником цеха, начальником производства. В 1981-1992 гг. занимал ряд должностей в структуре МАП. В частности, работал начальником Главного управления, входил в состав коллегии министерства.
В 1992 г. был назначен заместителем генерального конструктора опытно-конструкторского бюро (ОКБ) им. А. С. Яковлева - российской компании-разработчика и производителя авиационной техники (ныне входит в структуру ПАО "Научно-производственная корпорация "Иркут" в составе "Объединенной авиастроительной корпорации", ОАК). Также занимал пост генерального директора завода ОКБ им. А. С. Яковлева.
В 1994-2001 гг. - президент, генеральный директор данного бюро. С 2003 г. по н. в. занимает пост генерального директора - генерального конструктора ОКБ им. А. С. Яковлева. Олег Демченко внес большой вклад в организацию разработки и серийного производства учебно-боевого самолета Як-130 (опытный образец впервые поднялся в воздух в 1996 г.); под руководством Демченко ведется создание ближне- и среднемагистрального пассажирского самолета МС-21 (первый полет - 2017 г.).
В период с июля 2005 г. по апрель 2011 г. Олег Демченко являлся президентом ПАО "Корпорация "Иркут". Также с июля 2008 г. по февраль 2014 г. занимал должность старшего вице-президента ОАК. В 2012-2017 гг. вторично возглавлял "Иркут" на посту президента корпорации.
В 2017-2019 гг. занимал должность первого вице-президента - генерального конструктора ПАО "Корпорация "Иркут", в 2019-2021 г. - первого заместителя генерального директора - генерального конструктора ПАО "Корпорация "Иркут".
Член правления ОАК. В 2017-2018 гг. входил в состав Авиационной коллегии при правительстве РФ.
Награжден орденами Александра Невского (2015), "За заслуги перед Отечеством" III и IV степеней, "Знак Почета" и медалями, включая медаль Столыпина П. А. I степени (2014).
В числе опубликованных работ Олега Демченко - монографии "Моделирование организационной структуры предприятия" (2004), "Методология идентификации организационных структур в авиационно-промышленном комплексе" (2011), "Методология математического моделирования организационных структур авиационно-промышленного комплекса Российской Федерации" (2013), учебное пособие "Управление корпорацией в авиастроении " (2015) и др.
Женат, есть сын.