Caetani betrachtet Nadia Boulanger als die treibende Inspiration seiner Karriere. Sie entdeckte sein Talent, führte ihn in die Musik ein und gab ihm die philosophische Lebensgrundlage, die, von Montaigne hergeleitet, ihn bis heute prägt.

Am Conservatorio di Santa Cecilia in Rom absolvierte er die Dirigierklasse von Franco Ferrara und studierte Komposition bei Irma Ravinale. Im Alter von siebzehn Jahren gab er sein Debüt mit einer Produktion von Monteverdis Il combattimento di Tancredi e Clorinda und anderen Madrigalen, die er selbst arrangiert hatte. Nach dem Studium aller Schostakowitsch-Symphonien bei Kiril Kondrashin am Moskauer Konservatorium schloss er das Konservatorium bei Ilja Mussin ab. Als Gewinner des RAI-Wettbewerbs in Turin und des Karajan-Wettbewerbs in Berlin begann er seine Karriere an der Berliner Staatsoper Unter den Linden als Repetitor und Assistent von Otmar Suitner. Als Ständiger Gastdirigent der Staatskapelle Weimar 1984-1987 hatte Caetani prägenden Einfluss auf die Neuausrichtung der Oper in Weimar, als Erster Kapellmeister war er an der Oper Frankfurt 1987-1992 tätig. 1992-1995 war er Generalmusikdirektor des Hessischen Staatstheaters Wiesbaden, 1996-2001 in selber Funktion am Theater Chemnitz.

Caetanis umfangreiche Erfahrung von inzwischen fast vierzig Jahre im Opernrepertoire von Verdi, Puccini, Mussorgsky und Wagner (einschließlich mehrerer Ring-Produktionen) hat seinen Zugang zu den großen Opern- und symphonischen Werken des 20. Jahrhunderts beeinflusst. Oleg Caetani war 2005 Chefdirigent der English National Opera, von 2002 bis 2005 Chefdirigent des Melbourne Symphony Orchestra sowie von 2005 bis 2009 Chefdirigent und Künstlerischer Leiter desselben Orchesters. Seit 1999 pflegt Caetani eine besonders enge Beziehung zum Orchestra Sinfonica di Milano, mit dem er ausgedehnte Tourneen durch Südamerika (2003), Spanien (2009) sowie zu mehreren Konzerten in Salzburg mit allen Schumann-Sinfonien 2016 unternahm. 2008 dirigierte er das Orchester bei einem Konzert im Vatikan, das auf Einladung des italienischen Staatspräsidenten für Papst Benedikt XVI. stattfand und live für Eurovision TV aufgezeichnet wurde.

Seit 1999 pflegt Caetani eine besonders enge Beziehung zum Orchestra Sinfonica di Milano, mit dem er ausgedehnte Tourneen durch Südamerika (2003), Spanien (2009) sowie zu mehreren Konzerten in Salzburg mit allen Schumann-Sinfonien 2016 unternahm. 2008 dirigierte er das Orchester bei einem Konzert im Vatikan, das auf Einladung des italienischen Staatspräsidenten für Papst Benedikt XVI. stattfand und live für Eurovision TV aufgezeichnet wurde.

Die Musik von Dmitri Schostakowitsch spielt eine zentrale Rolle in seinem Repertoire. Caetani übersetzte das Libretto von Die Nase aus dem Russischen ins Deutsche für seine Produktion in Frankfurt 1991; er leitete 2007 die italienische Erstaufführung von Moskau, Tscherjomuschki und dirigierte in vielen Ländern jeweils Erstaufführungen von Schostakowitschs Opern, Konzerten, Balletten und Suiten. Der erste vollständige Zyklus der Schostakowitsch-Sinfonien mit einem italienischen Orchester überhaupt wurde unter Caetanis Leitung mit dem Orchestra Sinfonica di Milano aufgenommen; die Edition gewann mehrere Preise (u.a. 10/10 von Classical Today in den USA, ffff Télérama in Frankreich und Record Geijutsu in Japan). Seine Aufnahmen von Tansmans Sinfonien (bei Chandos) gewannen 2006 und 2008 drei Diapason d'Or; seine Gounod-Sinfonien (bei CPO) – einschließlich der 3. Sinfonie, die von Caetani entdeckt wurde – gewannen ebenfalls 2015 den Diapason d'Or.

2001 gab er sein Debüt an der Mailänder Scala mit Turandot und kehrte 2005 zurück, um Otello zu dirigieren. Er eröffnete die Saison 2001 des Teatro del Maggio Musicale Fiorentino mit Don Pasquale. Zu seinen jüngsten Engagements zählen Mussorgskys Chowanschtschina, Vaughan Williams' Sir John In Love, Madama Butterfly, La Bohème und Tosca, alle an der English National Opera, Der fliegende Holländer im Teatro dell'Opera di Roma, L'enfant et les sortilèges am Pariser Théâtre des Champs-Élysées, La Voix Humaine in einem Doppelprogramm mit Blaubarts Burg, Don Carlos in Köln, Madama Butterfly in Berlin und Oslo, sein Debüt am Londoner Royal Opera House, Covent Garden mit Tosca, Lady Macbeth von Mzensk an der Osloer Oper, Tosca im Opernhaus São Paulo, Tosca und Turandot am Mariinski Theater, Il prigioniero von Dallapiccola beim Stars of the White Nights Festival, Lady Macbeth von Mzensk in Helsinki, Les Pêcheurs de perles und Così fan tutte in Triest sowie Otello in Weimar.

Regelmäßig dirigiert er Orchester wie die Staatskapelle Dresden, die Münchner Philharmoniker, das Sinfonieorchester des Bayerischen Rundfunks, das Leipziger Gewandhausorchester, die Wiener Symphoniker (mit denen er Poliuto von Donizetti für EMI-CBS aufnahm), Bamberger Symphoniker, Orchestre National de Radio France, Orchestre Philharmonique de Monte Carlo, Sydney Symphony Orchestra, Mozarteum Orchester, Konzerthaus Orchester Berlin, das Orchestra Sinfonica Nazionale RAI di Torino, die Accademia di Santa Cecilia in Rom, das Maggio musicale Fiorentino, das Orchester des Teatro Verdi in Triest, das Spanische Nationalsinfonieorchester, das Hong Kong Philharmonic, das Tokyo Metropolitan Symphony Orchestra, das Yomiuri Orchestra, Taipei Symphony Orchestra, das Berner Symphonieorchester, Orchestre Philharmonique de Strasbourg, Qatar Symphony Orchestra, das Montreal Symphony Orchestra und andere.

Zu seinen jüngsten und bevorstehenden Engagements zählen Carmen in Triest, Cavalleria rusticana und Pagliacci im Teatro Massimo Bellini in Catania, Die Zauberflöte in Tokio sowie Konzerte mit dem London Philharmonic Orchestra, dem Luzerner Sinfonieorchester, dem Shenzhen Symphony Orchestra, dem Sydney Symphony Orchestra, dem Tokyo Metropolitan Symphony Orchestra, dem Orchestra Sinfonica di Milano (mit dem Caetani 2019 eine ununterbrochene künstlerische Zusammenarbeit von 20 Jahren feierte), dem Orchestre Philharmonique de Nice, dem Orchestra da Camera di Padova e del Veneto, dem Symphony Orchestra of India, den Würth Philharmonikern und anderen.

Caetani war auch Mentor für viele junge Dirigenten, die er entdeckte, darunter Lorenzo Passerini, Michele Scotti, Beatrice Venezi, Maxim Rysanov, Charlotte Politi und Luca Franzetti.

Zukünftige Engagements umfassen Konzerte mit der Filarmonica Arturo Toscanini, Auftritte in Wrocław, eine China-Tournee und die Veröffentlichung von Tschaikowskys Violinkonzert mit Charlie Siem und dem Philharmonia Orchestra.

Felsner Artists vertritt Oleg Caetani im deutschsprachigen Europa, in Zusammenarbeit mit OnlyStage.