Сенцов женат, имеет двух детей дочку Алину 2002 года рождения и сына Владислава.
Кинорежиссер родился 13 июля 1976 года в Симферополе, в Крыму. В 1998 году окончил Киевский государственный экономический университет. Несколько лет владел компьютерным клубом в Крыму.
В 2011 году Олег снял свой дебютный фильм «Гамер» на собственные деньги. Актеры киноленты, которая оказалась высоко оценена критиками, снимались бесплатно. Фильм, который раскрывает проблему компьютерной зависимости у подростков, был представлен на Роттердамском кинофестивале, получил награду от Гильдии кинокритиков и киноведов на кинофестивале «Дух огня», получил специальный диплом жюри на Одесском международном кинофестивале и на международном кинофестивале в Трускавце.
В 2013 году Олег Геннадьевич начал работу над новым фильмом «Носорог», бюджет которого уже составил миллион долларов.
Олег Сенцов поддержал единую Украину, был активистом Автомайдана. В 2014 году за личные средства покупал еду для заблокированных украинских военных и привозил им ее.
11 мая 2014 года Федеральная служба безопасности РФ задержала Сенцова по подозрению в терроризме. В сентябре 2014 года заключенного Сенцова пригласили стать почетным членом жюри на 62-м Международном кинофестивале в Сан-Себастьяне.
В июне 2014 года на церемонии закрытия Московского международного кинофестиваля глава союза кинематографистов Украины Сергей Тримбач обратился к российскому президенту с просьбой содействовать освобождению Сенцова. Тогда к нему присоединился президент фестиваля Никита Михалков.
Во Франции прошла десятидневная акция солидарности с Сенцовым, которую провели в рамках программы "Двухнедельника режиссеров" 68-го Каннского кинофестиваля.
В 2015 году Европейская киноакадемия отправила обращение российскому президенту Владимиру Путину и руководству силовых ведомств РФ с требованием немедленно освободить режиссера. Заключенного также поддержал известный российский режиссер Андрей Звягинцев, который был номинирован на премию Оскар за киноленту "Левиафан". К нему присоединились и другие российские режиссеры, такие как Алексей Герман-младший, Александр Сокуров, Владимир Котт, Алексей Федорченко, Владимир Мирзоев, Павел Бардин и Аскольд Куров.
25 августа 2015 года Олега Сенцова приговорили к двадцати годам лишения свободы с отбыванием в колонии строгого режима.
