Dzimis Šķibes pagasta Jēģeros Julianas un Friča Tīlmaņu sešu bērnu ģimenē. Mācījies Jelgavas ģimnāzijā, studējis vēsturi Tērbatas Universitātē, 1927.gadā beidzis Latvijas Universitātes Arhitektūras fakultāti. Piedalījies Brīvības cīņās. rhitekta darbi: pilsētas blokēkas un skolas. Nacionālās celtniecības komisijas padomes loceklis un Latvijas arhitektu biedrības priekšnieks. LPSR Nopelniem bagātais mākslas darbinieks 1955, PSRS Celtniecības un arhitektūras akadēmijas korespondētājloceklis 1957-1964, 1950-1956 strādāja  Latvijas Valsts pilsētu celtniecības projektēšanas institūtā (galvenais arhitekts) un LPSR  Ministru padomes celtniecības un arhitektūras pārvaldē (Pilsētu plānošanas nodaļas vadītājs). Apbalvots ar ordeni "Goda zīme".

Arhitekta darbu skaitā ir pilsētas blokēkas Grīziņkalnā, Rīgas krematorija, RTU ēka Kaļķu ielā 1 un virkne savrupmāju. Divdesmitajos gados viņš bijis Latvijas Etnogrāfiskais brīvdabas muzeja būvniecības iniciatoru vidū, trīsdesmitajos gados arhitekts veiksmīgi piedalījies projektu konkursos, tomēr lielāko daļu Tīlmaņa mūža paņēma darbs Rīgas galvenā arhitekta postenī, 1958-1969 Rīgas politehniskā institūta Celtniecības fakultātes Arhitektūras katedras vadība, kur bija profesors no 1960.gada.         

Piedalījies Jelgavas centra apbūves proj. (50. gados) izstrādāšanā.

Zinātņu akadēmijas augstceltne ir 21 stāvu augsta biroju ēka Rīgā, kas tiek uzskatīta par pirmo augstceltni Latvijā. Augstceltnes projektēšana un arī celtniecība sākās 1951. gadā, bet ēka tika pabeigta 1958. gadā, tomēr pilnībā ēka tika uzskatīta par pabeigtu tikai 1961. gadā. Tās arhitekti ir Osvalds Tīlmanis, Vaidelotis Apsītis un Kārlis Plūksne.

Meža kapos O.Tīlmaņa kapavietas klasiskā stilā ieturētā pieminekļa autors ir arhitekts Juris Skalbergs.