Olivier Marchal entre dans la police à 22 ans, en 1980. Il y travaille plusieurs années, tout en prenant des cours de comédie, pour finalement s'orienter vers une carrière artistique.

Il apparaît dans les films de flics NE RÉVEILLEZ PAS UN FLIC QUI DORT de José Pinheiro (1988) et PROFIL BAS de Claude Zidi (1993), et collabore à l'écriture des séries « Van Loc » (1993), « François Kléber » (1995-96), « Commissaire Moulin » (1994-2001) et « Central nuit » (2001-06).

Scénariste et interprète des téléfilms « La Femme piégée » de Frédéric Compain (1995) et « Une simple histoire d'amour » de Jean-Luc Mathieu (2006), il apparaît dans « Renseignements généraux » (1990-94), « Highlander » (1995), « Joséphine, ange gardien » (1999), « Marc Eliot » (2000), « Quai n°1 » (1997-2001) et surtout « Police District » (2000-01).

Au cinéma, il traverse de nombreux courts métrages, dont LE DUR MÉTIER DE POLICIER de Vincent Ravalec (1996), les remarqués LES VACANCES (1997) et LA PUCE (1999) d'Emmanuelle Bercot, mais aussi L'EXTRATERRESTRE de Didier Bourdon (2000).

Il passe à la réalisation avec le court métrage UN BON FLIC (1999), et le long GANGSTERS (2002), porté par Richard Anconina et Anne Parillaud. Mais c'est avec 36 QUAI DES ORFÈVRES (2004) qu'il rencontre le grand public, et redonne un coup de fouet au polar français, avec Daniel Auteuil, Gérard Depardieu et André Dussollier.

Désormais incontournable du genre, il joue dans les ombres de NE LE DIS À PERSONNE de Guillaume Canet (2006), TRUANDS de Frédéric Schoendoerffer (2007), SCORPION de Julien Seri (2007), UN ROMAN POLICIER de Stéphanie Duvivier (2008) et POUR ELLE de Fred Cavayé (2008).

Mélangeant les genres, il traverse la comédie SEULS TWO de Ramzy Bedia & Eric Judor (2008), et les aventures humaines chorales LE BRUIT DES GENS AUTOUR de Diastème (2008), QUELQUE CHOSE À TE DIRE de Cécile Telerman (2009) et LE FILS À JO de Philippe Guillard (2011).

Il visite aussi de nombreux téléfilms, dont « Eliane » de Caroline Huppert (2005), « L'Enfant d'une autre » de Virginie Wagon (2006) et « Chez Maupassant : Histoire d'une fille de ferme » de Denis Malleval (2007).

Mais il n'oublie pas l'écriture, en coauteur et interprète du DIAMANT 13 de Gilles Béhat (2009) avec Depardieu, et retrouve la réalisation pour le sombre MR 73 (2008) avec Daniel Auteuil et Olivia Bonamy, puis le gang LES LYONNAIS (2011) avec Gérard Lanvin, Tcheky Karyo et Daniel Duval.