Олег Котов родился 27 октября 1965 года в городе Симферополь, Республика Крым. Воспитывался в семье военнослужащего. После переезда в Москву, в 1982 году окончил среднюю школу № 180. В следующем году призвался в вооруженные силы страны. Вернувшись, обучался на факультете подготовки врачей военно-воздушных сил Военно-медицинской академии имени Кирова в Санкт-Петербурге. Позднее, получил диплом Московского института промышленной собственности и инноватики по специальности «Патентное дело».
С 1988 года лейтенант медицинской службы Котов проходил службу в Центре подготовки космонавтов имени Юрия Гагарина на должности помощника ведущего врача 3-го управления. Принимал участие в подготовке экипажей для полетов на станцию «Мир». В частности, проводил тренировки космонавтов в барокамере.
С марта 1993 года на протяжении трех лет служил в должности ведущего врача-испытателя, старшего научного сотрудника ЦПК. Занимался медицинским сопровождением тренировок космонавтов по внекорабельной деятельности, а также проводил медико-биологическую подготовку экипажей по научной программе в качестве врача-методиста.
Дорога в космос, как и у большинства российских космонавтов, оказалась долгой. Впервые назначен в дублирующий экипаж в качестве космонавта-исследователя. Проходил подготовку в составе экипажа до июля 1998 года.
С марта по октябрь 1999 года являлся координатором от Центра подготовки космонавтов при NASA. С декабря 1999 года проходил подготовку к полетам на Международную космическую станцию в составе группы космонавтов. В октябре 2000 года Котов включен в состав дублирующего экипажа 6-й основной экспедиции на МКС в качестве бортинженера и пилота МКС, однако 1 августа 2001 года заменен на Салижана Шарипова.
В начале декабря 2002 года совместным решением РГНИИ ЦПК, ракетно-космического комплекса «Энергия» и ГНЦ ИМБП Олег Валерьевич включен во второй экипаж 5-й российской экспедиции посещения МКС. В этот же период приступил к экипажной подготовке, но из-за катастрофы шаттла «Columbia» экипажи оказались переформированы.
В конце июля 2005 года Котова включили в состав смешанной группы космонавтов, получившей обозначение «МКС-15/16/17». Из ее состава планировалось сформировать экипажи 15-й, 16-й и 17-й экспедиций на МКС. В мае 2006 года решением Роскосмоса, ЦПК и РКК «Энергия» в предварительном порядке назначен в основной экипаж МКС-15, вместе с Федором Юрчихиным и американцем Клейтоном Андерсоном. В начале июня 2006 года Роскосмос и NASA окончательно сформировали экипажи 15-й основной экспедиции на МКС.
Первый космический полет Олег Котов совершил с 7 апреля по 21 октября 2007 года, в качестве командира корабля «Союз ТМА-10» и бортинженера МКС по программе 15-й основной экспедиции МКС, вместе с Федором Юрчихиным и Чарльзом Шимоньи. Экипаж работал на орбите: 196 суток 17 часов 04 минуты 58 секунд. Во время полета совершил 2 выхода в открытый космос.
За мужество и героизм, проявленные при выполнении космического полета, Указом Президента Российской Федерации от 23 октября 2007 года полковнику медицинской службы Котову Олегу Валерьевичу присвоено звание Героя Российской Федерации.
В ноябре 2009 года прошел клинико-физиологическое обследование и на заседании Государственной межведомственной комиссии признан годным к космическому полету. Межведомственной комиссией 19 декабря 2009 года утвержден в качестве командира корабля «Союз ТМА-17», бортинженера экипажа МКС-22 и командира экипажа МКС-23.
Второй космический полет Олег Котов совершил с 21 декабря 2009 по 2 июня 2010 года, в качестве бортинженера космического корабля «Союз ТМА-17». В состав экипажа входили астронавты США и Японии. В марте 2010 года при смене экипажей Олег Котов стал командиром 23-й основной экспедиции на МКС. Продолжительность полета составила: 163 суток 05 часов 32 минуты. В ходе полета выполнил 1 выход в открытый космос.
В 2013 году окончил обучение в Российской академии народного хозяйства и государственной службы при Президенте РФ по специальности «Государственное и муниципальное управление».
С марта до сентября 2013 года Котов готовился к полету в составе основного экипажа МКС-37/38 в качестве командира ТПК «Союз ТМА-М», бортинженера МКС-37 и командира МКС-38. С 3 сентября 2013 года начал прохождение комплексных тренировок в качестве командира основного экипажа МКС-37/38 вместе с бортинженером-1 Сергеем Рязанским и бортинженером-2 Майклом Хопкинсом. В этот день состоялась экзаменационная тренировка на тренажере на тренажере российского сегмента Международной космической станции.
Третий космический полет Олег Котов совершил с 26 сентября 2013 по 11 марта 2014 года, в качестве командира экипажа космического корабля «Союз ТМА-10». Продолжительность полета составила: 166 суток 06 часов 25 минут. В ходе полета совершил 3 выхода в открытый космос.
Олег Валерьевич Котов всего совершил три космических полета, общая продолжительность которых составила: 526 суток 5 часов 2 минуты. Выполнил 6 выходов в открытый космос. Также 7 раз прошел подготовку в составе дублирующих экипажей.
Приказом начальника Центра подготовки космонавтов имени Юрия Алексеевича Гагарина 4 мая 2016 года Котов освобожден от должности инструктора-космонавта-испытателя 1-го класса и уволен из ЦПК по собственному желанию.
На следующий день, 5 мая 2016 года Олег Котов назначен начальником Центра пилотируемых программ Центрального научно-исследовательского института машиностроения. Данный Центр занимается научно-техническим сопровождением и перспективными исследованиями по российской пилотируемой программе.
В 2018 году назначен заместителем руководителя по науке Института медико-биологических проблем Российской Академии Наук.