К середине апреля 2014 года против Царёва было возбуждено три уголовных дела за призывы к изменению территориальной целостности Украины путём её федерализации, совершению действий на изменение границ территории Украины, а также призывы к насильственному изменению и свержению конституционного строя. Затем всё было объединено в одно уголовное производство.

В мае 2014 года Федеральный департамент по экономическим вопросам, образованию и исследованиям Швейцарии опубликовал чёрный список, куда попал Царёв, а также ряд деятелей России, Республики Крым, ДНР и ЛНР.

Генеральная прокуратура Украины внесла представление в Верховную раду о привлечении народного депутата Царёва к уголовной ответственности и задержании его для избрания меры пресечения. 3 июня Верховная рада голосами 235 парламентариев при необходимом минимуме в 226 лишила Царёва депутатской неприкосновенности, и дала согласие на его арест. В этот момент Царёв находился в Крыму, по собственным словам он намеревается продолжить борьбу с украинской властью.

В тот же день заместитель главы государственной администрации Днепропетровской области Борис Филатов сообщил в Facebook о том, что штаб национальной защиты Днепропетровской области объявил вознаграждение в 500 000 долларов США за доставку Царёва правоохранительным органам Украины.

12 июня и. о. генпрокурора Украины Олег Махницкий сообщил, что его ведомство объявило Царёва в розыск, которым займётся МВД Украины.

4 июля 2014 года глава СБУ Валентин Наливайченко сообщил о том, что Царёв принимал участие в совещаниях относительно совершения терактов на территории Украины, а также вместе с советником президента РФ Владимира Путина планировал военную агрессию на территории Крыма. СБУ планирует допросить Царёва на предмет преступных связей с Сергеем Аксёновым, ставшим главой Крыма в ходе аннексии Крыма Россией.

22 октября 2014 года министр образования Украины Сергей Квит заявил об участии Царёва в коррупционных схемах, применявшихся в ведомстве. Министерство приняло решение производить учебники исключительно на отечественной бумаге, которую предприятия депутата продавали по более высокой цене и в недостаточном количестве. При этом, часть поставлявшейся для учебников бумагу предприятия Царёва закупали за рубежом и выдавали за собственную.

19 марта 2015 года начальник юридического управления Днепропетровской обладминистрации Александр Санжара сообщил о возврате в государственную собственность 400 га земель рядом с селом Степное Днепропетровского района, недалеко от трассы Днепродзержинск-Вольногорск, которые согласно Генпрокуратуре Украины незаконно обрабатывались структурами Царёва.

В марте 2022 года Генпрокуратура Украины сообщили о подозрении по двум статьям — посягательство на территориальную целостность Украины и коллаборационизм. Царёву грозило пожизненное заключение с конфискацией имущества. 3 мая Шевченковский районный суд Киева заочно приговорил Олега Царева к 12 годам лишения свободы с лишением первого ранга госслужащего и права занимать властные должности на 3 года.