В 1934 году окончил Киевский медицинский институт (ныне Киевский национальный медицинский университет им. Богомольца). Участвовал в разработках отца, связанных с вопросами переливания крови. Занимался созданием по всему Советскому Союзу пунктов сбора донорской крови и её переливания, за что был награжден орденом Трудового Красного Знамени. Сферы научной заинтересованности Олега Богомольца: аллергия, иммунитет, переливание крови, реактивность организма, механизм действия антиретикулярной цитотоксической сыворотки (АЦС), терапия лучевых поражений и др. Этим вопросам посвящено около 60 его научных работ. Президент Академии Наук УССР А. А. Богомолец с сыном — Олегом Александровичем Богомольцем. 1930-е годы. После смерти отца возглавил Институт экспериментальной биологии и патологии Министерства здравоохранения СССР. Вскоре в Киеве состоялось выездное заседание «Научного совета по вопросам физиологического учения Павлова». Александр Богомолец посмертно обвинялся в торможении павловского учения, поддержке «морганизма-вейсманизма» (хотя генетика была вне сферы его научных интересов). Острой критике подвергалось учение Александра Богомольца о соединительной ткани как «не соответствующее учению Павлова». Институт оказался под угрозой закрытия. Угроза эта исчезла лишь после смерти И. В. Сталина. С 1953 по 1980 годы Олег Богомолец заведовал лабораторией патофизиологии Украинского НИИ фармакологи и токсикологии. Одновременно возглавлял кафедру патофизиологии Киевского института усовершенствования врачей. С 1964 года — член-корреспондент Академии Наук УССР. С 1980 года — научный консультант Института физиологии АН УССР. Лауреат премии им. Александра Богомольца (1971). Способствовал увековечению памяти Александра Александровича Богомольца в Институте физиологии НАН Украины, сохранению его архива. Умер 1 мая 1991 года в Киеве.