Окончил физический факультет МГУ (1959).
Доктор физико-математических наук (1970). Профессор (1977). Профессор кафедры квантовой теории и физики высоких энергий физического факультета МГУ (1977). Директор Института теоретических проблем микромира им. Н. Н. Боголюбова МГУ (1991). Заслуженный профессор Московского университета (2002). Указом Президента Российской Федерации от 12 апреля 2008 года присвоено почетное звание «Заслуженный деятель науки Российской Федерации».
Область научных интересов: квантовая теория поля, физика высоких энергий, квантовая информация.
В области теории квантовой информации разработал понятие условной матрицы плотности, позволяющей адекватно описывать процессы разбиения сложной квантовой системы на подсистемы. Этот подход использовался О. А. Хрусталевым вместе с сотрудниками для исследований в области квантовых коммуникаций (квантовая телепортация, квантовая криптография) и квантовых вычислений.
Широкую известность получили его работы по дисперсионным соотношениям, квазипотенциальному подходу в квантовой теории поля, описанию квантовых эффектов в нелинейных полевых моделях, квантовой гравитации и квантовым компьютерам. О. А. Хрусталев был организатором многих научных конференций и семинаров, вел активную педагогическую и учебно-методическую работу, под его руководством защищено более 20 кандидатских диссертаций.