Сфера научных интересов - бронзовый век юго-восточной Европы, изучение древней керамики, проблемы взаимодействия культур. В 2011 г. защитил диссертацию на соискание ученой степени доктора исторических наук. Автор и соавтор 105 работ, в том числе 4-х книг. Около 20 работ издано за рубежом. О.Д. Мочалов руководил 7 проектами различных фондов, в том числе международных, и принимал участие в 5 проектах как исполнитель. Олег Дмитриевич участник и организатор секций на международных конференциях в России, Румынии, Ирландии, Германии, Греции, Португалии, Польше и Франции, а так же ежегодных региональных и международных археологических экспедиций.
О.Д. Мочалов являлся лауреатом премии и медали Европейской академии для молодых ученых, лауреатом стипендии Российской Академии наук для молодых исследователей, финалистом конкурса «Культурный герой года Самарской области» в 2005 г. в номинации международные связи в исторических исследованиях, награжден Благодарственным письмом Председателя Губернской Думы «За вклад в развитие научных исследований».