Mustonen avancierte rasch zu einem gefragten Dirigenten und Konzertpianisten (Studium bei Eero Heinonen). Seit 1989 übernimmt Mustonen Aufgaben im Musikleben seines Heimatlandes; zunächst die künstlerische Leitung des Korsholmer Musik-Festivals und 1990-1992 auch die des Turku Music-Festivals. Er ist Mitbegründer und Leiter des Helsinki Festival Orchestra und seit 2003 Dirigent des Kammerorchesters Tapiola Sinfonietta.

Als Pianist konzertiert Mustonen international mit den bedeutendsten Orchestern. Er trat bereits gemeinsam mit dem London Symphony Orchestra, dem Royal Concertgebouw Orkest, dem Chicago Symphony Orchestra, den Berliner Philharmonikern und weiteren auf. Eine enge Zusammenarbeit pflegt er mit renommierten Dirigenten wie Daniel Barenboim, Pierre Boulez und Christoph Eschenbach. 1999 brachte Mustonen mit Esa-Pekka Salonen und dem Los Angeles Philharmonic Orchestra das ihm gewidmete 5. Klavierkonzert von Rodion Shchedrin zur Uraufführung. Für die Einspielung der 24 Präludien und Fugen von Dmitrij Schostakowitsch und den 25 Präludien von Charles-Valentin Alkan erhielt Mustonen 1992 den "Edison Award" und den "Gramophone Award".

Mustonens Vorliebe für kontrapunktisch-verwobene Kompositionen und Werke des 20. Jahrhunderts, die Ideen des 17. und 18. Jahrhunderts augreifen, darunter die Bach-Bearbeitungen Ferruccio Busonis und Präludien-und-Fugen-Zyklen von Paul Hindemith oder Schostakowitsch, spiegelt sich auch in den eigenen Werken wider. Konzentration in Instrumentierung und Rhythmus sprechen ebenso wie die Gattungsbezeichnungen Gavotte, Toccata oder Petite Suite für diese Affinität. Ihre Individualität erlangen Mustonens Werke durch ihre frische, in der Klanglichkeit seiner Heimat verwurzelte Tonsprache.

Steht in den Konzertsälen der Welt der Pianist im Vordergrund, rücken die Betätigungsfelder Dirigieren und Komponieren des in Hausjärvi (Finnland) beheimateten Mustonen zusehends mehr in das Interesse der Öffentlichkeit. Im Oktober 2005 war er als Komponist und Interpret "Artist in Residence" beim Usedomer Musikfestival.

 Als Pianist und Dirigent wird Olli Mustonen betreut von der Agentur Hazard Chase.