Sodan jälkeen Paloheimo palveli toimistoupseerina yleisesikunnassa aikoen ryhtyä sotilasuralle. Hän ei kuitenkaan perheellisenä saanut haluamaansa komennusta Ranskan sotakorkeakouluun, joten suoritti metsätieteen opintonsa loppuun ja valmistui metsänhoitajaksi 1921.
Vuonna 1921 Paloheimo meni Rauma Wood Ltd Oy:n palvelukseen Ouluun hankkimaan raaka-ainetta Pohjois-Pohjanmaalta yhtiön Rauman sahalle ja selluloosatehtaalle. Paloheimo siirtyi täältä 1924 Lopelle H. G. Paloheimo Oy:n varatoimitusjohtajaksi. Kansallis-Osake-Pankin pääjohtajan J. K. Paasikiven aloitteesta Paloheimo nimitettiin pahasti velkaisen ja tappiollisen yrityksen toimitusjohtajaksi 1926. Hän saikin yhtiön asiat kuntoon 1930-luvun loppuun mennessä. Paloheimo johti H. G. Paloheimo Oy:tä 40 vuotta, vuoteen 1966 saakka, kasvattaen samalla omistusosuuttaan yhtiössä. Hän oli toimitusjohtajana myös Riihimäen Saha Oy:ssä 1926–1966 ja Kolsan tiilitehdas Oy:ssä 1935–1965.
Talvi- ja jatkosota
Paloheimo osallistui talvisotaanSeinäjoella Etelä-Pohjanmaan suojeluskuntapiirin päällikkönä. Jatkosodan alussa hänet komennettiin Itä-Karjalan sotilashallinnon esikuntaan, jossa hänet aluksi sijoitettiin teollisuustoimiston päälliköksi ja myöhemmin Aunuksen piiriesikunnan päälliköksi, jossa tehtävässä hän toimi vuoden 1943 loppukesään saakka, jolloin hänet nimitettiin Itä-Karjalan sotilashallinnon komentajaksi. Tehtävässä hän toimi alueelta perääntymiseen saakka.[2]
Ylipäällikkö Mannerheimin toimeksiannosta hän uudisti hallintoa muun muassa lopettamalla alueen venäläisperäisen väestön eriarvoisen kohtelun esimerkiksi korttiannosten suhteen.
Sotien jälkeinen aika
Mannerheimin luottomies Paloheimo oli toisena valtiovarainministerinä Antti Hackzellin hallituksessa 1944 ja toimi myös puolustusministeri Rudolf Waldenin sijaisena tämän ollessa rauhanneuvotteluissa Moskovassa. Hackzellin hallituksen eron jälkeen Paloheimo joutui entisenä Itä-Karjalan miehityshallinnon johtajana Valpon etsintäkuuluttamaksi ja hän joutui piileskelemään neljän kuukauden ajan ennen kuin presidentti Mannerheim sai etsintäkuulutuksen peruttua.
Sodan jälkeen Paloheimo valittiin useiden elinkeinoelämän järjestöjen johtoon. Vuonna 1946 hänestä tuli Suomen Sahanomistajayhdistyksen puheenjohtaja ja 1956 Suomen Puunjalostusteollisuuden Keskusliiton puheenjohtaja. Jälkimmäisessä tehtävässä hän keskittyi erityisesti Suomen EFTA-vapaakauppasopimuksen ajamiseen; tämä sopimus tulikin voimaan 1961. Vuorineuvoksen arvon 1955 saanut Paloheimo toimi myös Kajaani Oy:n toimitusjohtajana 1956–1962 ja käynnisti EFTA-ratkaisun jälkeen yhtiön historian siihen mennessä suurimman laajennusohjelman.
Paloheimo oli naimisissa vuodesta 1919 alkaen taidemaalari Eero Järnefeltin tyttären Leena Brigitta Järnefeltin (1897–1991) kanssa. Heillä oli kaksi poikaa ja yksi tytär. Pojista varatuomari Arvi Paloheimo jatkoi H. G. Paloheimo Oy:n johdossa isänsä jälkeen.
Paavilainen, Marko: Eversti: Upseeri ja teollisuusmies Olli Paloheimo. Helsinki: WSOY, 2006. ISBN 951-0-31843-4
Paavilainen, Marko: ”Paloheimo, Olli (1894–1974)”, Suomen kansallisbiografia, osa 7, s. 528–530. Helsinki: Suomalaisen Kirjallisuuden Seura, 2006. ISBN 951-746-448-7Teoksen verkkoversio.
Suomen jääkärien elämäkerrasto. Puolustusministeriön Sotahistoriallisen toimiston julkaisuja IV. WSOY, Porvoo 1938.
Suomen jääkärien elämäkerrasto 1975. Sotatieteen Laitoksen Julkaisuja XIV. Vaasa 1975. ISBN 951-99046-8-9.