O'Donnell nasce a Sideny, ma a soli otto anni si trasferisce ad Harvard, in Massachussets. Frequenta la Bromfield School, rinomata per i suoi corsi di teatro e recitazione e dopo il diploma si iscrive al corso quadriennale di teatro classico e recitazione presso la Hartt School di Hartford. Durante gli studi partecipa a diverse produzioni, tra cui "Three Sisters", "Lysistrata", "Twelfth Night", e interpreta Romeo in "Romeo e Giulietta". Si laurea nel 2000 e comincia a lavorare all' Hartford Stage Co. Regional Theatre, dove recita nel "Macbeth" e in "A Christmas Carol".
All'inizio del 2001, si trasferisce a Los Angeles e quello stesso autunno ottiene un ruolo di primo piano in "The Man Who Never Yet Saw Woman's Nakedness" di Moritz Rinke, spettacolo che debutta all' Odyssey Theatre di Los Angeles.
Recita anche al cinema e, dopo qualche ruolo in film indipendenti, O'Donnell approda al cinema commericiale interpretando Todd Cleary in 2 single a nozze, con Owen Wilson e Vince Vaughn, diretti da David Dobkin. La commedia è uno dei maggiori incassi di sempre e sulla scia di questo successo Vaughn e O'Donnell partono per il Wild West Comedy Tour, un tour che tocca trenta città in trenta giorni. Alcuni momenti degli spettacoli sono stati filmati e sono diventati il documentario Wild West Comedy Show. Nel 2006 tornano insieme al cinema con la commedia romantica Ti odio, ti lascio, ti..., con Jennifer Aniston. Nel 2009 O'Donnell interpreta Veck Sims in Il superpoliziotto del supermercato e l'anno successivo è nella commedia romantica La fontana dell'amore con Kristen Bell e Josh Duhamel. Nel 2014 è nel cast del film d'azione Apes revolution - Il pianeta delle scimmie e nel gennaio 2015 è in sala con il nuovo film di Clint Eastwood American Sniper.
O'Donnell ha anche partecipato come guest a serie tv di successo come Lost, CSI, The Closer, United States of Tara e Sons of Anarchy.