Under hela sin konstnärliga gärning använde sig Ola Billgren av måleriet som sitt huvudsakliga uttryckssätt. I hans fotorealistiska måleri från 1960- och 1970-talen hämtade han sina motiv från den samtida, urbana vardagen, från litteraturen och från filmgenren men även från den illustrerade pressen. Med sin fotorealism rönte han stor nationell uppmärksamhet och kom att representera Sverige på en rad utställningar, däribland Ungdomsbiennalen i Paris 1967 och 1971 samt på Biennalen i Venedig 1976.
Under 1970-talet bröt Billgren gradvis med fotorealismen, vilken slutligen övergavs för ett närmast abstrakt koloristiskt gestaltande. Detta gav på 1980-talet uttryck åt sviter av ”romantiska landskap” och de av konstnären benämnda ”cityscapes”. Anspelningarna på den impressionistiska tekniken är tydlig och då framför allt på Claude Monets sena näckrosmålningar från Giverny. Precis som för Monet är ämnet för Billgrens målningar från denna tid företrädesvis varierande färgschatteringar och skiftande ljuseffekter.
Ola Billgren finns representerad på ett flertal museer, bland annat Moderna Museet i Stockholm, Göteborgs konstmuseum, Malmö Museum, Statens Museum for Kunst i Köpenhamn, Museum für Kunst- und Kulturgeschichte i Lübeck samt Louisiana Museum of Modern Art i Humlebæck. Hans verk ingår även i Lunds universitets samlingar samt i samlingarna på Centre Pompidou i Paris med målningen ”Paris” (1973).