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Destiné à reprendre la pâtisserie familiale (glacier, chocolatier, épicier) de La Teste-de-Buch, il découvre sa vocation de comédien à 13 ans lorsqu'il est placé en pension chez les jésuites du lycée Saint-Joseph de Tivoli où il est initié au théâtre. Ses parents Pierre et Renée Marchal, qui passent de nombreuses heures dans la boutique et ne lui donnent une sœur que 12 ans plus tard après sa naissance, le laissent souvent à sa solitude qu'il meuble en dévorant romans noirs et polars de la bibliothèque familiale au-dessus de la boutique ou en se nourrissant des films policiers au cinéma voisin. Il passe le concours d'inspecteur de police en 1980, en sort {{24e}} sur 600 et intègre la P.J. de Versailles. Épuisé par les affaires sordides, l'explosion de la violence, l'irrespect envers l'autorité, il quitte la brigade criminelle en 1982 pour rejoindre les renseignements généraux, section antiterrorisme où il côtoie son collègue Simon Michaël. En 1985, il rejoint la police judiciaire du {{13e}} arrondissement de Paris. Sa petite amie de l'époque Michèle Laroque l'incite à franchir le pas de la scène : tout en étant inspecteur la nuit à la {{5e}} division de la PJ, il prend des cours de théâtre au Conservatoire d'art dramatique du {{10e}} arrondissement de Paris. Une directrice de casting lui donne en 1988 son premier rôle, celui d'un inspecteur dans Ne réveillez pas un flic qui dort, le lançant dans cette carrière qui le fait quitter définitivement la police en 1994.
On le découvre acteur en 1992 dans les séries françaises Quai numéro un (France 2) et Police District (M6). Il écrit aussi pour la télévision : séries Commissaire Moulin (TF1) et Central Nuit (France 2). Il passe à la réalisation et signe des polars, Gangsters, 36 quai des Orfèvres, MR 73 et Les Lyonnais.
Certains acteurs se retrouvent de façon récurrente dans ses films : Gérald Laroche, Daniel Duval et Daniel Auteuil sont présents dans deux films, tandis que Catherine Marchal, sa femme et Guy Lecluyse sont présents dans ses trois premiers long-métrages. Francis Renaud, quant à lui, est à l'affiche des quatre films d'Olivier Marchal.
En 2010, Olivier Marchal fait partie avec Gérard Lanvin et Vincent Moscato du trio qui joue dans Le Fils à Jo réalisé par Philippe Guillard, où il interprète un conseiller principal d'éducation. En 2011, il dirige Gérard Lanvin dans le film Les Lyonnais, long-métrage qui porte sur le gang des Lyonnais qui a sévi dans les années 1970.
Après la série Braquo, Olivier Marchal écrit une autre série pour Canal+, intitulé Section Zéro une série mélangeant la science-fiction et le polar.
En novembre 2012, il pousse un coup de gueule contre la pédophilie sur Paris Première et estime par la même occasion que c'est un sujet prioritaire à traiter en France plutôt que de parler du mariage gay. Il se montre très hostile face à la justice laxiste en déclarant "pour moi, la justice c'est zéro".