Oktay Sinanoğlu, 1953 yılında TED Ankara Yenişehir Lisesinden mezun oldu.
1953 yılında ABD'ye burs ile gitti.
Berkeley'deki Kaliforniya Üniversitesinden kimya mühendisi olarak mezun olduktan sonra Massachusetts Teknoloji Enstitüsünde yüksek lisansını tamamladı.
Berkeley'de Teorik Kimya alanında doktorasını tamamladı. 21 Aralık 1963'te Yale Üniversitesi öğrencisi Paula Armbruster ile evlendi. Daha sonra Dilek Sinanoğlu ile evlendi. Bu evliliğinden ikiz çocukları vardır.
1960'ta Yale Üniversitesinde öğretim üyesi olan Sinanoğlu, 1963'te kimya alanında tam profesör oldu. Bu unvanı üniversitede en genç yaşta alan profesördür.
Yale'de teorik kimya bölümünü kuran Oktay Sinanoğlu, atom ve moleküllerin çok-elektron teorisi, Çözgeniter teorisi, mikrotermodinamik, kimyasal tepkime mekanizmaları teorisi, değerlik kabuğu etkileşim teorisi çalışmalarını yaptı.
Yale'de 37 sene çalıştı ve emekli oldu.
Yale'de çalışırken birçok Türk üniversitesinde de yer aldı. ODTÜ'de danışman profesör oldu. Yale'den emekli olunca Yıldız Teknik Üniversitesinde dersler vermeye başladı.
Yaşamı boyunca kuantum mekaniğine katkılarda bulundu. Paul Dirac'ın da üzerinde uğraştığı; çözemediği kuantum mekaniğinde Hilbert uzayının topolojisi ve içerdiği yüksek simetrileri problemini açığa kavuşturdu.