Родился 21 мая 1973 г. в Пензе.
В 1992 г. окончил Ленинградское высшее политическое училище им. 60-летия ВЛКСМ внутренних войск МВД СССР, в 1997 г. - Пензенский государственный педагогический университет им. В. Г. Белинского (ПГПУ; ныне Педагогический институт им. В. Г. Белинского Пензенского государственного университета) по специальности "учитель истории и социально-политических дисциплин", в 2009 г. - Пензенский государственный университет по специальности "юрист". В 2016 г. в Башкирском государственном университете прошел профессиональную переподготовку по программе "менеджмент в образовании". В 2019 г. прошел обучение в Российской академии народного хозяйства и государственной службы при президенте РФ (РАНХиГС; программа развития кадрового управленческого резерва), в 2020 и 2021 гг. - в Дипломатической академии МИД России (специалист в области мировой политики и мировой экономике).
Выпускник второго потока программы подготовки кадрового резерва Высшей школы государственного управления РАНХиГС (т. н. школы губернаторов).
Кандидат исторических наук. В 2006 г. в ПГПУ им. В. Г. Белинского защитил диссертацию на тему "Кризис системы управления КПСС 1985-1991 годов в Пензенской области". Доцент (2010).
С 1997 по 2001 г. - преподаватель-стажер, ассистент, старший преподаватель кафедры истории древнего мира, средних веков и археологии исторического факультета Пензенского государственного педагогического университета им. В. Г. Белинского.
В 2001-2004 гг. - заместитель главы администрации Железнодорожного района Пензы по социальной политике и взаимодействию с правоохранительными органами.
С сентября 2004 г. по январь 2006 г. - специалист-эксперт департамента по внутренней политике аппарата полномочного представителя президента РФ в Дальневосточном федеральном округе, ДФО (в 2000-2005 гг. пост полпреда в ДФО занимал Константин Пуликовский, в 2005-2007 гг. - Камиль Исхаков).
С января по ноябрь 2006 г. Олег Мельниченко возглавлял отдел по связям с общественностью правительства Пензенской области.
В ноябре 2006 г. - январе 2007 г. - начальник управления по вопросам национальной политики, связям с общественными и религиозными объединениями правительства Пензенской области.
С января по апрель 2007 г. был советником департамента по кадровым вопросам и организационному обеспечению аппарата полномочного представителя президента РФ в Приволжском федеральном округе ((ПФО; пост полпреда в этот период занимал Александр Коновалов).
С апреля 2007 г. по январь 2008 г. - министр образования и науки Пензенской области.
С января по июнь 2008 г. - вице-губернатор Пензенской области. С июня 2008 по апрель 2009 г. - заместитель председателя правительства региона.
С апреля 2009 г. по сентябрь 2013 г. занимал пост помощника полномочного представителя президента РФ в ПФО. Округ в 2008-2011 гг. возглавлял Григорий Рапота, в 2011-2018 гг. - Михаил Бабич. С сентября 2013 г. по сентябрь 2017 г. Олег Мельниченко был заместителем полпреда президента РФ в Приволжском федеральном округе.
10 сентября 2017 г. был избран депутатом Законодательного собрания Пензенской области VI созыва. Баллотировался по списку партии "Единая Россия" (под третьим номером).
С 26 сентября 2017 г. по 31 марта 2021 г. был членом Совета Федерации (сенатором), представителем от Законодательного собрания Пензенской области. С 25 октября 2017 г. возглавлял комитет Совфеда по федеративному устройству, региональной политике, местному самоуправлению и делам Севера. Входил во временную комиссию Совфеда по защите государственного суверенитета и предотвращению вмешательства во внутренние дела. Руководил группой по сотрудничеству Совета Федерации с Верховным народным собранием КНДР, был членом групп сотрудничества Совфеда с верхними палатами парламентов Экваториальной Гвинеи, Словацкой и Чешской республик. Занимал пост заместителя сопредседателя межпарламентской комиссии по межрегиональному сотрудничеству с Национальным собранием Республики Беларусь. Представлял РФ в Палате регионов Конгресса местных и региональных властей Совета Европы.
С 2021 г. возглавляет Пензенскую область.
26 марта 2021 г. указом президента РФ назначен врио губернатора Пензенской области. Прежний руководитель региона Иван Белозерцев, обвиняемый в получении взятки, 23 марта был отправлен в отставку в связи с утратой доверия главы государства.
19 сентября 2021 г. на досрочных выборах Олег Мельниченко был избран губернатором Пензенской области (выдвинут от партии "Единая Россия") с результатом 72,38%. Второе место занял заместитель главы Пензы Олег Шаляпин (КПРФ), за которого проголосовали 12,35% избирателей. 28 сентября Олег Мельниченко вступил в должность.
Член Государственного совета РФ.
Входит в состав комиссии при правительстве РФ по региональному развитию (с июля 2018 г.).
Был членом советов при президенте РФ по межнациональным отношениям, по развитию местного самоуправления, по стратегическому развитию и национальным проектам. Входил в состав комиссии при правительство РФ по развитию жилищного строительства и оценке эффективности использования земельных участков, находящихся в собственности РФ.
Председатель Всероссийского совета местного самоуправления (с 25 декабря 2017 г.). Член высшего совета Всероссийской ассоциации развития местного самоуправления.
Член генерального совета партии "Единая Россия" (с декабря 2017 г.). Секретарь политсовета пензенского регионального отделения партии (с июня 2021 г.). Входит в состав президиума политсовта местного отделения "Единой России".
Действительный государственный советник РФ II класса (2014).
Награжден орденом Дружбы (2020), медалью ордена "За заслуги перед Отечеством" II степени (2015). Имеет благодарности президента РФ (2012, 2018), Почетную грамоту правительства РФ (2020).
Почетный работник высшего профессионального образования РФ.
