Від 1945 року — науковий співробітник хімічного факультету МДУ.
Починаючи з 1957 року завідував заснованою ним у Московському університеті лабораторією теоретичних проблем органічної хімії і одночасно — лабораторією застосування ізотопів у органічній хімії в Інституті елементоорганічних з'єднань АН СРСР.
О. О. Реутов є радянським експертом з питань хімічної і біологічної війни при ООН (з 1969). Заступник голови Радянського комітету захисту миру (1974).
Головні праці О. О. Реутова — з проблем фізичної органічної хімії, вивчення механізму реакцій електрофільного заміщення (dE-реакцій), молекулярних перегрупувань, з хімії карбонієвих іонів, дослідження ілідів арсена та сірки, онієвих з'єднань, про подвійні реакційні здатності амбідентних (мезомерних) аніонів, участь іонів й іонних пар у органічних реакціях, щодо кислотності СН-кислот, стереохімії і механізму оксимеркуровання.
Олег Реутов — автор теорії електрофільного заміщення в насиченого атома вуглецю у ряді металоорганічних сполук.
Вченого нагороджено 4 орденами, а також медалями.
Загалом опубліковано понад 1300 його робіт.
Наукові праці
Теоретические проблемы органической химии, М., 1956 (рос.)
Теоретические основы органической химии, М., 1964 (рос.)
Reaction mechanisms of organometallic compounds, Amst., 1968 (спільно з I. P. Beletskaya) (англ.)
Механизмы реакций металлоорганических соединений, М., 1972 (спільно з І. П. Белецькою и В. І. Соколовим) (рос.)