Родился Струве 12 августа 1897 в Харькове. Поступил в Харьковский университет, но вскоре вынужден был прервать учебу: был призван на военную службу и в 1915–1918 принимал участие в боевых действиях в Турции. В 1919 окончил Харьковский университет. Вскоре был мобилизован в Белую армию, с остатками врангелевских войск эвакуировался в Турцию, затем – в Европу. В 1921 приехал в США. В 1921–1950 работал в Йеркской обсерватории (Чикагский университет), в 1932–1947 был ее директором. Профессор астрономии Чикагского университета, в 1947–1959 заведовал кафедрой астрономии. В 1947 возглавил астрономическое отделение Калифорнийского университета (в Беркли), в 1950–1959 руководил Лейшнеровской обсерваторией при этом университете. Был первым директором Национальной радиастрономической обсерватории США в Грин-Бэнке, сотрудником Института перспективных исследований в Принстоне.

Основные научные работы Струве относятся к звездной спектроскопии. Начиная с 1924 на протяжении многих лет ученый занимался изучением спектрально-двойных звезд. Именно ему принадлежит заслуга оценки их доли среди звезд равных спектральных классов (43% всех B-звезд). Струве нашел эмпирическую зависимость «период вращения звезды – амплитуда лучевой скорости», что позволило оценить среднее значение суммы масс этих звезд и получить критерий их отличия от короткопериодических цефеид. В 1929 совместно с Г.А.Шайном Струве разработал метод определения скорости осевого вращения звезд, нашел скорости вращения большого числа звезд. Показал, что у быстро вращающихся звезд присходит истечение вещества из экваториальных областей, что приводит к образованию оболочек и колец. Совместно с К.Т.Элви установил существование систематической зависимости между спектральным типом звезды и скоростью осевого вращения.

Одним из первых Струве понял важность исследования диффузного вещества. Анализируя межзвездные линии ионизованного кальция, оценил плотность межзвездного вещества (1929; совместно с Б.П.Герасимовичем), установил, что оно принимает участие во вращении Галактики и составляет 1% полной массы звезд в единице объема. Впервые оценил расстояние до Центра Галактики. Обнаружил водород в межзвездном пространстве с помощью разработанного им (совместно с К.Т.Элви) небулярного спектрографа.

Струве обладал выдающимися организаторскими способностями. За годы его руководства Йеркская обсерватория стала одним из признанных международных астрономических центров. В 1939 по его инициативе и при его активном участии была создана обсерватория Мак-Доналда при Техасском университете, ставшая спустя короткое время крупным центром астрофизических исследований. Струве принимал участие в создании 42-метрового радиотелескопа Национальной радиоастрономической обсерватории США. Мировую известность получила его книга Эволюция звезд (Stellar evolution, 1950).

Деятельность Струве получила широкое общественное признание: он был членом многих академий наук, почетным доктором университетов. В 1944 был награжден Золотой медалью Лондонского королевского общества, в 1950 – медалью Национальной академии США, в 1955 – медалью Парижской Академии и многими другими. В 1952–1955 возглавлял Международный астрономический союз.

Умер Струве в Беркли 6 апреля 1963.

Струве О. Эволюция звезд. М., 1954
Струве О., Зеберге В. Астрономия XX века. М., 1968