Родился 15 апреля 1924 года в Ленинграде. Отец — Голубев Василий Сергеевич (1886—1942), военный музыкант. Мать — Селиванова Вера Максимовна (1889—1967), портниха, затем — председатель горкома профсоюза работников искусств. Супруга — Лавровская Ираида Михайловна (1926 г. рожд.), окончила МАИ, а затем аспирантуру. С 1951 по 1991 год работала в КБ-1 (ЦКБ «Алмаз»), занималась проектированием, отработкой и испытаниями систем управления ЗУР. Принимала активное участие в создании систем противосамолетной обороны С-25, С-75, С-125 и противоракетной обороны С-225. Сейчас, будучи на пенсии, занимается поставками светотехнического оборудования. Дочь — Коломийцева (Голубева) Елена Олеговна (1954 г. рожд.), окончила МАИ, создала светотехническую (промышленного назначения) компанию, работает в ней финансовым директором. Внук — Коломийцев Кирилл Сергеевич (1976 г. рожд.), окончил Институт коммерции, основал фирму по проектированию светотехнических интерьеров. Внучка — Коломийцева Анастасия Сергеевна (1986 г. рожд.), студентка Гуманитарного университета.

В Ленинграде до начала войны О.В. Голубев окончил 9 классов. Потом с семьей сестры был эвакуирован в Кузбасс, где окончил 10-й класс. Поступил в Новосибирский институт инженеров транспорта, но в сентябре 1942 года призван в армию и направлен курсантом в Днепропетровское Краснознаменное артиллерийское училище, эвакуированное в Томск. После окончания училища в звании лейтенанта был назначен на должность командира взвода управления батареи полковой артиллерии 60-го гвардейского стрелкового полка 20-й гвардейской стрелковой дивизии на Юго-Западном фронте.

Полку была поставлена задача в наступательном бою форсировать реку Северский Донец и захватить населенный пункт Червоный Шахтарь. После артподготовки батарея должна была огнем и колесами сопровождать наступавшие батальоны полка.

Снаряд разорвался почти рядом с Голубевым. Он с удивлением увидел свежую воронку и бросился на землю. Но тут же ощутил сильный удар в плечо. Разведчик Сидякин помог ему перевязать рану и добраться до батальонного перевязочного пункта. Оттуда Голубева отправили в медсанбат, а потом в полевой госпиталь.

Только через 7 месяцев его выписали из госпиталя с ограничением годности к службе. На предложение демобилизоваться он согласился и был направлен на преподавательскую работу на военную кафедру вуза. В сентябре 1945 года поступил в Ленинградский электротехнический институт. В декабре 1950 года окончил физический факультет и был направлен на работу в Москву, в КБ-1 (теперь — ЦКБ «Алмаз»). О.В. Голубев и по сегодняшний день участвует в проектировании, создании и испытаниях систем наведения управляемых перехватчиков на воздушно-космические цели. Сначала в системах противосамолетной обороны С-25, С-75, С-125, а затем в системах противоракетной обороны. С 1955 года Олег Васильевич руководит коллективом разработчиков систем наведения противоракет на стратегические баллистические ракеты. Под его руководством и при непосредственном его участии созданы и испытаны в натурных условиях четыре сложные системы наведения перехватчиков, вошедшие в состав оборонительных систем, принятые в эксплуатацию и на вооружение (А, А-35, А-35 М и А-135). О.В. Голубев был заместителем Генерального конструктора первой экспериментальной системы ПРО (системы А) и главных конструкторов систем ПРО г. Москвы (А-35, А-35 М и А-135) по системе наведения противоракет. Руководил созданием нового перспективного образца военной техники (тема «Молния»).

В этих и других разработках нашли отражение результаты научных трудов О.В. Голубева в области синтеза алгоритмов управления, методов анализа динамики систем с управляющей ЭВМ, методологии отработки таких систем на математических и комплексных моделях реального времени, реализованных на вычислительных средствах. Определенную известность в отрасли получили опубликованные им очерки по научной истории создания отечественной ПРО (в соавторстве), а также ряд статей о ПРО.

В процессе научно-педагогической деятельности О.В. Голубев подготовил и прочитал несколько курсов лекций: по теории дискретных систем управления — для аспирантов и соискателей НИИ радиоприборостроения; по основам проектирования систем наведения и синтезу оптимальных систем управления — для студентов 5-го курса МФТИ. О.В. Голубев является членом научно-технического совета НИИРП и диссертационных советов НИИРП и ЦКБ «Алмаз». В руководимом им коллективе двадцать сотрудников защитили кандидатские диссертации, трое — докторские. Его деятельность по аттестации научных кадров отмечена Почетной грамотой ВАК Российской Федерации.

За вклад в развитие оборонной промышленности О.В. Голубеву объявлена Благодарность Президента Российской Федерации.

О.В. Голубев — главный научный сотрудник НИИРП, доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ, лауреат Ленинской премии, Государственной премии РФ.

Награжден орденами Трудового Красного Знамени, Отечественной войны I степени, Красной Звезды, 12 медалями.

Живет и работает в Москве.