Sa carrière au cinéma, Olivier Marchal la doit en partie à sa petite amie de l'époque : une certaine Michèle Laroque ! La romance de ces deux acteurs remonte en effet aux années 1980. Lui était encore policier et elle faisait ses débuts au théâtre. C'est en suivant les conseils avisés de sa compagne qu'Olivier Marchal s'est finalement lancé dans une carrière de comédien, comme il l'avait raconté lors de son passage dans l'émission Je t'aime etc sur France 2, en 2020.
"Je l'ai rencontrée, j'étais flic à la section antiterroriste, et on sortait beaucoup en boîte de nuit avec mon groupe. Et j'avais rencontré un architecte de Nice qui faisait une soirée chez lui, et comme elle est niçoise, elle était à la soirée, s'était-il souvenu. Mais elle démarrait à Paris, elle était aux Blanc-Manteaux, elle jouait un spectacle qui s'appelait Sauver les bébés femmes. Moi j'étais pas du tout encore dans le théâtre, on a eu un petit béguin." Olivier Marchal avait déjà goûté aux joies du théâtre dans sa jeunesse, lors de son passage chez les jésuites du lycée Saint-Joseph-de-Tivoli de Bordeaux. Mais ce fils de pâtissier n'avait jamais osé rêver en faire une carrière : "Je ne me voyais pas dire à mon père : 'Je monte à Paris'. C'était un peu..."
Michèle Laroque a finalement réussi à le convaincre de changer de voie. "Elle m'a dit : 'Si tu veux être acteur, il faut que tu essayes'. C'est elle qui m'a fait répéter mon audition." Tout en poursuivant son métier d'inspecteur de la PJ, Olivier Marchal prend alors des cours de théâtre au Conservatoire d'art dramatique du 10e arrondissement de Paris. Il décroche son premier rôle en 1988 et commence en terrain connu, puisqu'il incarne un inspecteur dans Ne réveillez pas un flic qui dort. Il quitte définitivement la police en 1994.
Côté coeur, séparé de Michèle Laroque, Olivier Marchal a retrouvé l'amour auprès de Catherine Quiniou, avec qui il s'est marié en 1995. Le couple a eu quatre enfants : Léa (en 1994), Zoé (en 1998), Ninon (en 2006) et Basile (en 2009). De son côté, Michèle Laroque a d'abord été mariée au metteur en scène Dominique Deschamps, le père de sa fille Oriane (née en 1995). Depuis 2008, elle partage la vie du sénateur-marie François Baroin.