Основным научным интересом О. В. Левашова до сих пор остается нейроинженерия зрительного мозга, то есть исследование и моделирование нейронных механизмов зрительного анализа трехмерных сцен и зрительного узнавания формы. Он автор более 70 научных работ, в том числе книг «Вычислительные модели сенсорных систем» (1989), «Зрение, мозг, движение» (2018, 2021), а также соавтор уникальной коллективной монографии «Элементы теории биологических анализаторов», написанной под руководством Н. В. Позина в Институте проблем управления.