Олег Валерьевич Бухарин родился 16 сентября 1937 года в г. Челябинске. Отец, Бухарин Валерий Иванович (1907—1945). Мать, Астафьева Вера Ивановна (1913—1985).
В 1960 году окончил Челябинский медицинский институт. По окончании института работал там же — ассистентом кафедры Микробиологии.
С 1968 года — зав. кафедрой микробиологии.
В 1977—1980 годах — ректор Оренбургского медицинского института. Работал в отделе персистенции микроорганизмов УрО РАН (Институт клеточного и внутриклеточного симбиоза УрО РАН, г. Оренбург).
С 1997 по 2012 годы — директор института клеточного и внутриклеточного симбиоза УрО РАН (г. Оренбург).Учениками О. В. Бухарина являются 30 докторов и 118 кандидатов наук.