Olivier Ducastel grandit à Rouen, avant d'étudier le théâtre et le cinéma à Paris. Université, puis Idhec (futur Fémis), où il réalise le court métrage LE GOÛT DE PLAIRE (1989), comédie musicale avec Anne Alvaro et Jacques Bonnaffé. Il est également assistant monteur sur TROIS PLACE SUR LE 26 de Jacques Demy (1988), monteur son sur ALEXANDRIE ENCORE ET TOUJOURS (1990) et L'ÉMIGRÉ (1994) de Youssef Chahine, OUTREMER de Brigitte Roüan (1990), FAUT-IL AIMER MATHILDE ? d'Edwin Baily (1993), ADULTÈRE, MODE D'EMPLOI de Christine Pascal (1995) et LE MAÎTRE DES ÉLÉPHANTS de Patrick Grandperret (1995), et monteur de NOUS, LES ENFANTS DU XXÈME SIÈCLE de Vitali Kanevski (1994).

En 1995, il rencontre Jacques Martineau, qui devient son compagnon et avec qui il décide passer au long métrage. C'est chose faite avec JEANNE ET LE GARÇON FORMIDABLE (1998), épopée amoureuse et musicale, traversée par le sida, tout comme le héros séropositif enchante le road movie humaniste DRÔLE DE FÉLIX (2000) avec Sami Bouajila. Personnages solitaires ou portés par le groupe, personnes âgées, quadragénaires, jeunes adultes ou adolescents, les héros de Ducastel & Martineau inondent l'écran de leur pulsion de vie. Après le portait intime MA VRAIE VIE À ROUEN (2002) et la comédie estivale et libertaire CRUSTACÉS ET COQUILLAGES (2005), le duo signe la fresque NÉS EN 68 (2008), de la révolution de mai à 2007, pour la télévision et pour le cinéma.

SI JEANNE... est centré sur un duo (Virginie Ledoyen/Mathieu Demy) et DRÔLE DE FÉLIX suit un héros en voyage (Sami Bouajila), la plupart des films du duo chantent le groupe, le foyer, originel ou recréé, d'une ville de France à une autre, avec une cellule familiale intense, de l'apprentissage de la vie (MA VRAIE VIE À ROUEN) à la fantaisie (CRUSTACÉS ET COQUILLAGES), et aux secrets dévoilés (L'ARBRE ET LA FORÊT).

Les cinéastes se forment aussi une troupe de comédiens qu'ils retrouvent régulièrement, tels Jacques Bonnaffé, Frédéric Gorny, Ariane Ascaride, Pierre-Loup Rajot, Edouard Collin, Sabrina Seyvecou et Yannick Rénier, tout comme ils chantent les aînés (Patachou, Hélène Surgère, Françoise Fabian, Guy Marchand) et les benjamins (Jimmy Tavares, Romain Torres, Théo Frilet).