Исследователь проблем этимологии и ономастики славянских, других индоевропейских языков, вопросов славянского этногенеза.
Академик РАН, член-корреспондент Югославянской академии наук и искусств (Загреб), иностранный член Финно-угорского общества (Хельсинки), с 1996 возглавлял Национальный комитет славистов России. Награжден орденом «Знак почета», медалями СССР и России, золотыми медалями им. В. Даля и П.-Й. Шафарика, Пушкинской премией РАН.
В 1952 окончил филологический факультет ДнГУ и поступил в аспирантуру ИСл, в 1957 защитил там кандидатскую диссертацию «История славянских терминов родства и некоторых древнейших терминов общественного строя». В 1965 защитил в Институте русского языка АН СССР докторскую диссертацию «Ремесленная терминология в славянских языках: (этимология и опыт групповой реконструкции».
В 1956—1961 работал в ИСл: мнс. С 1961 работал в ИРЯ АН СССР (ИРЯ РАН).
Наиболее важным вкладом ученого в мировую славистику и индоевропеистику стал осуществленный им на базе ИРЯ вместе с несколькими сотрудниками проект по созданию многотомника «Этимологический словарь славянских языков: праславянский лексический фонд» (М., 1974—. Вып. 1 издание продолжается).
В годы работы в ИСл О. Н. Трубачев сложился как этимолог. Им была подготовлена книга, посвященная происхождению названий домашних животных. Она явилась первым опытом монографического исследования славянской лексики в данной сфере. В сотрудничестве с В. Н. Топоровым была подготовлена также монография, посвященная изучению гидронимов. В книге были рассмотрены проблемы балтославянского языкового взаимодействия на основании свидетельств о языках и этносах древних балтов, сохранившихся только в Верхнем Поднепровье, где они когда-то проживали.
История славянских терминов родства и некоторых древнейших терминов общественного строя. М., 1959.
Происхождение названий домашних животных в славянских языках (этимологические исследования). М., 1960.
Ремесленная терминология в славянских языках (этимология и опыт групповой реконструкции). М., 1966.
Названия рек Правобережной Украины: Словообразование. Этимология. Этническая интерпретация. М., 1968.
Этногенез и культура древнейших славян: лингвистические исследования. М., 1991 (2-е изд., доп.: 2002).
В поисках единства: [взгляд филолога на проблему истоков Руси]. М., 1992 (2-е изд., доп.: 1997).
К этимологии слова собака // КСИС. 1955. Вып. 15.
Принципы построения этимологических словарей славянских языков // ВЯ. 1957. № 5.
Этимологический словарь славянских языков Г.А. Ильинского // ВЯ. 1957. № 6.
Из истории табуистических названий // ВСЯ. М., 1958. Вып. 3.
Следы язычества в славянской лексике (1. Trizna. 2. Peti. 3. Ковь) // Slavisticna revija. Ljubljana, 1958. № 3/4 (воспроизведено в: ВСЯ. М., 1959. Вып. 4).
Лингвистическая география и этимологические исследования // ВЯ. 1959. № 1.
Еще раз об этимологии слова росомаха // КСИС. 1960. Вып. 28.
Из истории названий каш в славянских языках// Slavia. 1960. Roc. 29. Ses. 1.
Об этимологическом словаре русского языка [М. Фасмера] // ВЯ. 1960. № 3.
Несколько русских этимологий (Бордадым, будоражить, норка, околоток, харя, худощавый, шушун) // Этимологические исследования по русскому языку. М., 1961. Вып. 3.
Задачи этимологических исследований в области славянских языков // КСИС. 1961. Вып.33/34.
О племенном названии уличи // ВСЯ. М., 1961. Вып. 5.
Лингвистический анализ гидронимов Верхнего Поднепровья. М., 1962 (соавтор).
О праславянских лексических диалектизмах серболужицких языков // Серболужицкий лингвистический сборник. М., 1963.
Мои воспоминания о Никите Ильиче Толстом // ВЯ. 1997. № 2.
Из воспоминаний (посвящается 25-летию начала публикаций Этимологического словаря славянских языков, 1974-1999) // Русский язык в научном освещении. 2001. № 1.
Фасмер М. Этимологический словарь русского языка. М., 1964—1973. Т. 1-4 (переводчик, автор дополнений).
Бернштейн С.Б. Олег Николаевич Трубачев (к 50-летию со дня рождения) // Известия АН СССР. Серия литературы и языка. 1981. Т. 40. № 1.
Славяноведение в СССР. Биобиблиограф. словарь. New York, 1993.
Журавлев А.Ф. Академик Олег Николаевич Трубачев (1930-2002) // Известия АН СССР. Серия литературы и языка. 2002. Т. 61. № 4.
Калашников А.А., Куркина Л.В., Петлева И.П. Олег Николаевич Трубачев, 23.X.1930-9.III. 2002 // ВЯ. 2002. № 3.
Топоров В.Н. К семидесятилетию О.Н. Трубачева // Этимология, 1997-1999. М., 2002.
Гиндин Л.А. Олег Николаевич Трубачев (к 60-летию со дня рождения) // Олег Николаевич Трубачев: Научная деятельность. Хронологический указатель трудов. М., 2003.
Добродомов И.Г. Олег Николаевич Трубачев // Там же.
Олег Николаевич Трубачев: [Библиография]. М., 1992.
Олег Николаевич Трубачев: Научная деятельность. Хронологический указатель трудов. М., 2003.