Fils d'un pâtissier amateur de romans noirs, Olivier Marchal est élève au collège des Jésuites de Bordeaux. C'est durant ces années que naissent chez lui l'envie d'être policier et le goût pour la comédie. Après avoir passé le concours d'inspecteur de police, il intègre en 1980 la Brigade criminelle de Versailles, puis rejoint la section antiterroriste, où il a pour collègue Simon Michaël, l'auteur des Ripoux. Chef d'une brigade de nuit au milieu des années 80, Olivier Marchal suit parallèlement des cours de théâtre au conservatoire du Xème arrondissement.

Apparu une première fois à l'écran en 1988 dans Ne réveillez pas un flic qui dort, il est repéré par une directrice de casting, qui lui propose en 1993 le rôle d'un inspecteur dans Profil bas de Claude Zidi. Ayant définitivement quitté la police, Olivier Marchal écrit plusieurs scénarios pour le Commissaire Moulin, et devient bientôt un personnage récurrent des séries Quai n°1 et Police district. Dans un genre différent, il est remarqué dans le moyen métrage d'Emmanuelle Bercot, La Puce, aux côtés de la jeune Isild Le Besco en 1999. La même année, Olivier Marchal s'essaie à la réalisation avec Un bon flic, court métrage remarqué à Cognac.

ncarnant avec un malin plaisir les malfrats et autres personnages peu recommandables pour Guillaume Canet (Ne le dis à personne, 2006), Frédéric Schoendoerffer (Truands, 2007), et Julien Seri (Scorpion, id.), Olivier Marchal clôt en 2008 sa trilogie policière sur "la solitude, la désespérance et l'errance" avec MR 73, un film noir dans lequel Daniel Auteuil incarne un flic dépressif et alcoolique à la recherche d'un tueur en série.

Depuis 2018, Olivier Marchal se glisse dans la peau du personnage principal de la série Les Rivières Pourpres, adaptée du best-seller de Jean-Christophe Grangé. Il s'agit du capitaine de police Pierre Niemans enquêtant, aux côtés de sa meilleure élève et fille spirituelle Camille Delaunay, sur des crimes complexes.