Den 23-årige inledande fladdermössen/leg spinnaren följer Joe Clarke, Ed Barnard, Joe Leach, Tom Fell och Ross Whiteley i förlängningen av sitt avtal.
"Vi har ett stort gäng killar, det är staden där jag kommer ifrån och det är klubben jag älskar att spela för," sade han.
"Jag är mycket passionerad för klubben och vill vinna spel av cricket för Worcestershire."
D'Oliveira är den tredje generationen av hans familj att spela för länet, följer i fotspåren av sin avlidne farfar, före detta England allrounder Basil, och hans framlidne far Damian, som tjänade länet som spelare och tränare.
Han gjorde sin limited-overs debut mot Yorkshire 2011 och sin första klass debut mot Warwickshire ett år senare.
D'Oliveira imponerad med bollen i Worcestershire kör till T20 Blast kvartsfinalen, tar nio wickets, visar sin mest ekonomiska bowler i tävlingen.
Hans fem Championship framträdanden 2015 har alla kommit sedan början av juli.
Worcestershire allrounder Brett D'Oliveira har tecknat ett nytt treårigt avtal som binder honom till New Road fram till 2018.