Figlio di un pasticcere amante di romanzi gialli, Olivier Marchal viene educato nel collegio dei Gesuiti di Bordeaux. Integra la Brigade Criminelle di Versailles nel 1980, poi la sezione anti terrorismo. Parallelamente segue dei corsi di teatro a Parigi.

Gli esordi
Quando debutta alla televisione, ex poliziotto, non può che coprire il ruolo dello sbirro. Dopo essere apparso in Ne reveillez pas un flic qui dort (1988), una direttrice di casting lo nota e gli propone d'interpretare l'ispettore in Profil Bas (1993). Contemporaneamente diventa un personaggio ricorrente in diverse serie televisive come le Commissaire Moulin, Quai n.1 e Police District. In La Puce (1999), un mediometraggio di Emmanuel Bercot, interpreta un primo ruolo drammatico. Lo stesso anno lo vede debuttare dietro la macchina da presa nel cortometraggio Un blon flic, sempre tratto dalla sua esperienza nella polizia.

Da Gangster a 36
Nel 2002 intraprende il suo primo lungometraggio: Gangsters. Polar dalle tinte scure, Gangster mostra già alcuni segni indelebili di quello che sarà lo stile di Marchal. Ma é 36 Quai des orfèvres (2004), dove appare anche come attore, a renderlo noto come regista di thriller al pubblico internazionale. In un faccia a faccia tra Danieul Auteuil e Gérard Depardieu, Marchal mette in scena il meglio del polar alla francese, pur senza disdegnare i riferimenti ad alcuni classici contemporanei, dalle scene d'azione dei film di Johnnie To e Tsui Hark, a Michael Mann e in particolare Heat - La sfida. 36 é la scoperta di un autore capace di dare nuova linfa vitale a un genere classico per la Francia. Marchal inoltre, non solo sfrutta le potenzialità delle logiche di genere, ma vi aggiunge del proprio, tratto dalla sua esperienza autobiografica nella polizia. Metodi violenti e poliziotti corrotti sono dunque all'ordine del giorno.

Da regista a produttore
Da allora Olivier Marchal diventa una figura di primo piano del cinema polar francese. Appare dunque in diversi altri thriller, come attore. Sarà nel successo di Guillaume Canet, Ne le dis à personne (2006), in Truands (2007) di un altro autore di polar, Fréderic Schoendoerffer ma anche in Un roman policier (2008). Sceneggia e produce Diamond 13 (2009) altro polar di successo oltralpe, e la serie televisiva di Canal Plus, Braquo. Nel 2008 aveva d'altra parte ottenuto un buon richiamo internazionale con L'ultima missione, ideale seguito di 36, dove un Daniel Auteuil in piena forma interpretava un poliziotto alla deriva.