Admis en 1966 à l'école de Danse de l'Opéra National de Paris. Elève de Christiane Vaussard, de Raymond Franchetti puis de Gilbert Mayer et Alexandre Kalioujny, il est engagé, premier de sa promotion, dans le corps de ballet de l'Opéra National de Paris en 1973. Alicia Alonso, George Balanchine, Youri Grigorovitch, Jérôme Robbins, Pierre Lacotte, chorégraphes invités, le choisissent très vite pour interpréter des rôles de soliste et en 1976, Roland Petit crée pour lui le rôle de Georges Hugon dans son Ballet Nana aux côtés de Karen Kain. Parmi ses partenaires à l'Opéra figurent : Dominique Khalfouni, Wilfride Piollet, Ghislaine Thesmar, Elisabeth Platel, Sylvie Guillem, Monique Loudières, Marie-Claude Pietragalla, Elisabeth Maurin, Yannick Stéphant… En 1983, après de nombreuses prises de rôles dont Sylvia, La Sylphide, Vaslaw, Le Songe d'une nuit d'été, Etudes, Don Quichotte, Roméo et Juliette, et les créations de chorégraphes tels que Alvin Nikolaïs, John Neumeier, Karole Armitage, il est nommé Premier Danseur. Rudolf Noureev, directeur de la Danse lui confie le rôle de Frantz dans Coppélia et du jeune homme dans Les Mirages de Serge Lifar. Il crée également à l'Opéra le rôle masculin principal dans Jardin aux lilas de Anthony Tudor. A partir de 1981, date de sa première chorégraphie créée pour Marie-Claude Pietragalla à l'Opéra de Paris, il signe des ballets inscrits plus tard au répertoire de grandes compagnies (Ballet National de Cuba, Opéra National de Bucarest.)

Dés 1983, il organise et produit des tournées dans le monde entier (Madagascar, Inde, Nigeria, Japon, Amérique Latine, Espagne, etc.) et à partir de 1988, l'A.F.A.A (devenue l’Institut Français) fait appel à lui pour réaliser des tournées, des missions officielles et des résidences chorégraphiques à l'étranger (Syrie, Paraguay, Cuba, Indonésie, Chili, Mexique, Argentine, Ukraine, Roumanie, etc.)

En 1997, après de nouvelles créations à l'Opéra avec Lucinda Childs, Dominique Bagouet, Mark Morris et Daniel Larrieu, il quitte l'Opéra National de Paris pour se consacrer à une carrière internationale. En 2000 il est Directeur-Adjoint du Ballet du Staatstheater Braunschweig en RFA, il collabore ensuite avec les Opéras allemands de Rostock, Düsseldorf, Dresden, Eisenach, Chemnitz… Il siège également dans les jurys de grands concours internationaux (Paris, Rome, Osaka, Kiev, Budapest, Sochi, Istanbul, Berlin, Moscou). Entre 2002 et 2006, il a été invité pour des master-classes à la Compañia Nacional de Danza de Mexico, à la Korean National University of Arts de Séoul, à l'Opéra National de Kiev, au Ballet National de Corée du Sud, à l’Ecole Nationale de Danse de Perm en Russie, au Ballet du Théâtre National de Belgrade, et a créé deux ballets : Calatori in Infern et Patetica pour le Ballet de l'Opéra National de Bucarest. En 2007, il était l’invité du Ballet du Théâtre d’Etat de Novossibirsk en Russie, du Ballet National de Belgrade et du Scottish Ballet à Glasgow. En 2009, Nina Ananiashvili, Etoile du Ballet du Bolchoï et de l'American Ballet Theater, le convie à donner des master-classes au Ballet du Théâtre National de Tbilissi en Géorgie. En 2010, il enseigne au Béjart Ballet Lausanne et au Théâtre Wielki de Varsovie et devient conseiller artistique de Gaumont-Pathé à la diffusion en Haute Définition des productions de Ballet du Théâtre Bolchoï de Moscou. En 2011 et 2012, il est invité au Théâtre National de Macédoine à Skopje, à Astana au Kazhakstan, à Ufa, Perm et Novosibirsk en Russie. En 2013, il est de nouveau invité en Russie à Perm et Astrakhan et à Tbilissi. En 2018 il est invité par Altinaÿ Asylmuratova à enseigner au Ballet National d’Astana au Kazakhstan. Olivier Patey est Membre de la SACD (Société des Auteurs et Compositeurs Dramatiques), Membre du Conseil International de la Danse de l'UNESCO, Chevalier des Arts et lettres (1996).

Depuis 2013 Maître du Ballet Royal des Flandres à Anvers, il devient en avril 2022 Directeur Artistique de la Mosa Ballet School à Liège.