В 1959 году Олег Николаевич становится сотрудником Физического института им. П.Н. Лебедева Академии наук СССР (ФИАН), с которым была связана вся его дальнейшая жизнь. С 1994 года по 2004 год он был директором ФИАН.
С начала работы в ФИАН О.Н. Крохин активно включается в актуальные исследования, проводимые под руководством академика Н.Г. Басова, по распространению принципов работы мазеров на оптический диапазон.
В 1960 году Н.Г. Басовым, О.Н. Крохиным и Ю.М. Поповым в журнале «Успехи физических наук» была опубликована статья «Генерация, усиления и индикация инфракрасного и оптического излучения с помощью квантовых систем», в которой обосновали возможность усиления и генерации света квантовыми системами, т.е. возможность лазерной генерации.
О.Н. Крохин совместно с Н.Г. Басовым, Ю.М. Поповым (1961) обосновал возможность создания инжекционного лазера, который является основным элементом в реализации оптической связи, оптической памяти, оптической обработки информации, эффективной накачке мощных твердотельных лазеров.
Басов Н.Г. и Крохин О.Н. (1962) авторы идеи об осуществимости термоядерного синтеза при нагреве мишени излучением лазера, что положило начало новому мощному научно-техническому направлению — лазерному термоядерному синтезу (ЛТС). О.Н. Крохин один из инициаторов создания первых мощных лазеров для ЛТС, благодаря которым осуществлено сжатие термоядерных мишеней. Под руководством О.Н. Крохина выполнен большой цикл исследований процессов взаимодействия лазерного излучения с веществом, созданы специальные лазерные системы, в том числе для исследования быстропротекающих процессов с высоким временным и пространственным разрешением. Один из пионеров использования лазерного излучения в медицине.
В 1991 году О.Н. Крохин избран членом-корреспондентом РАН, в 2000 году – академиком по Отделению физических наук.
Научные труды О.Н. Крохина опубликованы в более, чем 250 трудах, включая 3 авторские монографии. О.Н. Крохин был членом Московского физического общества, членом международных, членом программных и организационных комитетов большого количества международных конференций в области физики лазеров, взаимодействия лазерного излучения с веществом, главным редактором журналов: «Краткие сообщения по физике», «Физическое образование в ВУЗах», «Квантовая электроника», «Journal of Russian Laser Research», электронное периодическое издание «ЭЛЛФИ». О.Н. Крохин входил в состав Бюро Совета РАН по космосу, Бюро ОФН РАН, был заместителем председателя Троицкого научного центра РАН, председателем Научного совета РАН по научному приборостроению, председателем комиссии по присуждению золотой медали им. Н.Г. Басова РАН, членом комиссии по присуждению золотой медали им. П.Н. Лебедева РАН, членом секции №7 НТС ЯОК России.
О.Н. Крохин большое внимание уделял воспитанию новых поколений физиков. С 1967 года он преподавал в НИЯУ МИФИ. О.Н. Крохин осуществлял научное руководство Высшей школой физиков им. Н.Г. Басова НИЯУ МИФИ, основал и руководил базовой кафедрой НИЯУ МИФИ №88 «Полупроводниковая квантовая электроника и биофотоника» и реализуемой на кафедре программой магистратуры «Перспективные полупроводниковые лазеры и технологии».
О.Н. Крохин руководил признанной научной школой в области квантовой радиофизики и физики плазмы. Среди его учеников более 20 докторов и кандидатов наук.
За фундаментальные исследования, приведшие к созданию полупроводниковых лазеров, О.Н. Крохину в составе авторского коллектива присуждена Ленинская премия (1964 г.). За работы по взаимодействию лазерного излучения с веществом О.Н. Крохин в составе авторского коллектива был удостоен Государственной премии СССР (1981 г.). О.Н. Крохин отмечен премией Президента России в области образования за значительный вклад в создание и работу уникального центра подготовки высококвалифицированных специалистов «Высшая школа физиков МИФИ-ФИАН», носящей имя Н.Г. Басова (2000 г.).
О.Н. Крохин награжден Демидовской премией (2005 г.), золотой медалью им. Н.Г. Басова (2010 г.).
О.Н. Крохин – кавалер орденов Трудового Красного Знамени (1971 г.), «Знак Почета» (1976 г.), «За заслуги перед Отечеством» IV (1999 г.) и III (2008 г.), награжден высшим орденом Польши «Командорский Крест» II степени (2001 г.), орденом «За заслуги перед МИФИ» (2022 г.).