Родился 3 октября 1966 года в Москве. В 1988 году окончил Московский электротехнический институт связи, а в 1989 году — центр при Московском институте народного хозяйства по специальности "экономическое управление". Работал инженером в Институте космических исследований, в конце 80-х занялся бизнесом. В 1993 году стал одним из учредителей и вошел в совет директоров АОЗТ "Народный концерн "Нефтяной альянс"". В 1994 году назначен заместителем председателя совета банка "Нефтяной альянс".
В августе 1997 года стал председателем совета директоров ОАО "Информационно-издательская группа "Новые Известия"", создававшегося на деньги Бориса Березовского и ряда других бизнесменов. Держателем 76% акций был Олег Митволь. В 2003 году обвинил главного редактора "Новых Известий" Игоря Голембиовского в финансовых махинациях и отстранил его от должности.
В апреле 2004 года назначен заместителем главы Росприроднадзора. На этом посту стал фигурантом ряда громких скандалов. В СМИ широко освещались конфликты господина Митволя с чиновниками и владельцами подмосковной недвижимости, которых Росприроднадзор обвинял в нарушении законодательства. Кроме того, претензии Росприроднадзора стали одной из мер давления на концерн Shell, вынужденный передать контроль над проектом "Сахалин-2" "Газпрому". Господин Митволь предъявлял претензии и другим крупным компаниям, в том числе ЛУКОЙЛу, "Газпрому", Total, "Русснефти", "Норникелю", РЖД, "Транснефти", LG, Oriflame, Байкальскому ЦБК, Клинскому пивзаводу.
18 января 2008 года подал в отставку в знак протеста против назначения главой Росприроднадзора Владимира Кириллова, однако потом передумал уходить. В дальнейшем неоднократно появлялась информация о скором увольнении господина Митволя, однако окончательно его должность была сокращена только в сентябре.
Также известен как участник светских мероприятий и продюсер музыкального альбома "Я буду ждать тебя всегда", записанного его женой Людмилой, которая в 2006 году возглавляла список партии "Зеленые" на выборах в Мособлдуму.