В июле 2012 года у Олейникова был обнаружен рак, актёр прошёл курс химиотерапии

. В конце октября он был госпитализирован со съёмочной площадки с диагнозом «воспаление лёгких»

Спустя некоторое время впал в кому и был подключён к аппарату искусственной вентиляции лёгких

. Ситуацию осложняли и серьёзные проблемы с сердцем.

Не приходя в сознание, умер в 4 часа утра 11 ноября 2012 года на 66-м году жизни в медсанчасти № 122 г. Санкт-Петербурга

.

Похороны состоятся 15 ноября на Новодевичьем кладбище в г. Москве.