Olle Hjortzbergs konstnärskap var både långt och mångfacetterat. Efter att som tonåring undervisats i bokillustrationskonst av Agi Lindegren samt tjänstgjort som assistent i dekorationsmåleri åt J. A. G. Acke, deltog Hjortzberg i arbetet med utsmyckningen av Uppsala domkyrka. Vid återkomsten från Uppsala 1892, antogs han samma år som elev vid Konstakademin. 1898 gjorde Hjortzberg den första av många studieresor utomlands. Efter att ha besökt Paris och Rom fortsatte Hjortzberg år 1900 till Grekland, Syrien och Palestina. Det var framför allt intrycken från dessa soldränkta, klart upplysta miljöer med alla dess skiftande färger som Hjortzberg återkom till gång efter gång i sina sydländska motiv.

En mycket viktig händelse av avsevärd betydelse för Hjortzbergs konstnärskap var mötet med de bysantinska mosaikerna i Ravenna. Det var också som dekorationsmålare i det stora formatet Hjortzberg främst kom att verka, framför allt i utsmyckning av kyrkliga rumsinteriörer. 1908 kallades Hjortzberg som ledamot av Konstakademin och följande år tillsattes han på tjänsten som lärare i dekorativ konst. 1912 erhöll han en professur i teckning vilken Hjortzberg uppehöll till 1937. Mellan 1937 och 1939 tjänstgjorde han som professor i måleri. Parallellt med detta tjänstgjorde han även som lärare vid dekorativa skolan samt ordförande i Svenska slöjdföreningen 1926-31. Från och med 1943 var Hjortzberg Konstakademins preses.

Till de mer kända av konstnärens arbeten som muralmålare hör målningarna i Engelbrektskyrkan vilka påbörjades 1913 samt väggmålningarna i Linköpings läroverk från 1916. Bägge dessa utsmyckningsarbeten uppvisar de för Hjortzberg typiska inslagen av svällande, jugendbetonad växtornamentik. Hjortzberg var heller inte främmande för den engelska Morrisrörelsens stilideal vilka flitigt utnyttjades i de många affischer Hjortzberg komponerade som en tidig pionjär inom området. Ett uppskattat exempel är affischen för de olympiska spelen i Stockholm 1912. Som en motvikt till det stilistiskt bundna bildspråket i såväl muralmåleri som illustrationskonst vänder sig Hjortzberg i mogen ålder till ett nytt bildspråk.

I mångtaliga akvareller och oljemålningar får Hjortzberg utlopp för sin begåvning i ett flertal blomsterstilleben. I en frisk och obunden realistisk stil använder Hjortzberg palettens samtliga färger för att fånga den eviga skönhet som endast står att finna i naturen.