Участник Великой Отечественной войны. Окончил исторический факультет Московского государственного университета (1950 г.), где проходил научную подготовку в семинаре чл.‑корр. С. В. Бахрушина. Канд. ист. наук (1965 г.). Тема диссертации: «Тобольск в системе складывающегося всероссийского рынка в XVII веке» (научный руководитель – чл.‑корр. В. И. Шунков). Д‑р ист. наук (1991 г.). Тема диссертации: «Очерки социально-экономического развития Сибири в конце XVI – начале XVIII в.». Доцент (1968 г.).
В 1961–1966 гг. работал в постоянной комиссии по общественным наукам / Институте экономики и организации промышленного производства СО АН СССР, в 1967–2001 гг. – в Институте истории, филологии и философии СО АН СССР / Институте истории РАН, где в 1970–1977 гг. возглавлял сектор историко-архитектурного музея, в 1977–1983 гг. – сектор истории феодализма, в 1983–1989 гг. – сектор памятников истории и культуры Сибири.
В 1962–1966 гг. работал ассистентом-почасовиком, в 1966–1974 гг. – совместителем в должности доцента на кафедре истории / истории СССР гуманитарного факультета НГУ.
Орден Отечественной войны 2‑й степени, медали «За отвагу», «За оборону Сталинграда», «За победу над Германией».
История торговли, транспорта и налогообложения в Сибири XVII–XVIII вв.
Участвовал в написании 2‑го тома «Истории Сибири».
За время работы О. Н. Вилкова на гуманитарном факультете под его руководством были подготовлены и защищены студентами-историками 9 выпускных квалификационных работ, посвященных истории сибирских городов XVII в. Из его учеников-выпускников гуманитарного факультета в сфере науки и образования работали и работают: