Oehler war von 1834 bis 1837 Lehrer bei der Basler Mission. Am 6. Juni 1837 wurde er an der Tübinger Universität zum Dr. phil.promoviert. Bereits zu dieser Zeit wurde er als Kandidat für theologische Lehrstühle in Tübingen gehandelt. Er begab sich auf eine Studienreise über München und Erlangen nach Berlin, auf der er sich weiter dem Studium der Theologie widmete. Zurückgekehrt nach Tübingen wurde er 1837 Repetent am Tübinger Stift, bevor er im Januar 1840 als Stadtvikar nach Stuttgart ging. Im August 1840 bestand er die Lehramtsprüfung, anschließend kam er als 2. Professor an die Klosterschule Schöntal, an der er 1841 auf die erste Professur aufrückte.
Oehler folgte 1852 einem Ruf an die Tübinger Universität, an der er ebenfalls als Professor des Alten Testaments wirkte. An den großen Erfolg seiner Vorlesungen in Breslau konnte er auch in Tübingen anschließen. Neben der Professur wurde ihm außerdem das Amt des Ephorus des Tübinger Stifts übertragen. 1867 lehnte er einen Ruf an die Universität Erlangen ab. 1861 wurde er zum Rektor der Universität gewählt und 1871 wurde ihm das Ritterkreuz 1. Klasse des Ordens der Württembergischen Krone verliehen.
Oehlers Hauptwerk Theologie des Alten Testaments erschien in englischer Übersetzung in Edinburgh (1874–1875) und New York (1883) sowie in niederländischer Übersetzung 1879.
Hans Albrecht Oehler: Gustav Friedrich Oehler. Theologieprofessor und Stiftsephorus, 1812-1872. In: Lebensbilder aus Baden-Württemberg, Band 22 (2007), S. 240–253.
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