Nata da madre pianista e padre fisico nucleare, all'età di due anni, la sua famiglia si trasferisce a Perth, in Australia Occidentale. O'Connor è stata educata in una scuola cattolica e ha frequentato il Mercedes College a Perth, ha inoltre frequentato la Western Australian Academy of Performing Arts e ottenuto una Laurea di primo grado in letteratura alla Curtin University of Technology. Attrice sia di cinema che di teatro, inizia ad accumulare fama e riconoscimenti dal 2000.

Televisione
Il suo debutto nel piccolo schermo avviene nel 1994, quando interpreta il personaggio di Georgina nella serie Tv australiana The Damnation of Harvey McHugh. Successivamente parteciperà anche ad altri prodotti televisivi come nel 1995 la serie Snowy River: The McGregor Saga (diretta da Paul Moloney e Julian McSwiney), il film Shark Bay (Mark Hanlin e Mandy Smith) nel 1996 e, nello stesso anno, all'altra serie Blue Heelers.
Ha poi un ruolo da protagonista, nel 2000, del film di Tim Fywell: Madame Bovary, dove interpreta la parte della protagonista, Emma Bovary, ricevendo successo e ulteriore notiorietà.
Angeli d'acciaio, di Katja von Garnier, è l'altro film TV nel quale avrà una parte primaria prima di ributtarsi a capofitto nelle fiction. Quattro anni più tardi infatti ottiene una sostanziosa partecipazione a Cashmere Mafia, serie creata da Kevin Wade, e tra le altre partecipazioni a show e trasmissioni televisive, ha modo di figurare anche un altre successivi prodotti seriali.
Tra le maggiori serie Tv che le daranno più rilievo, possiamo sicuramente citare quelle a cui collabora tra 2013 e 2014: Vegas (2014), Once Upon a Time e The Missing (2014), ma soprattutto Mr. Selfridge, dove con il ruolo di Rose Selfridge, segue l'avvicendarsi della serie per ben 20 puntate. Il 2016 è l'anno dell'inizio della collaborazione in Cleverman, serie fantascientifica creata da Jon Bell e Ryan Griffen.

Cinema
Il debutto nel grande schermo è targato Emma-Kate Croghan, che la vuole nel cast di Amore e altre catastrofi, nel 1996, dove recita nel ruolo di Mia. Dopo figurare nel cast di altri film come Kill or Kill e Con un po' di anima, nel 1998 con il rulo primario in Mansfield Park di Patricia Rozema, riesce a donare la giusta sensibilità al film incrementando la sua notorietà tra critica e pubblico.
Successivamente recita in About Adam con un buon risultato, ma è soprattutto con film come Indiavolato (Harold Ramis), A.I. Intelligenza artificiale (Steven Spielberg), Windtalkers ( John Woo), e L'importanza di chiamarsi Ernest (Oliver Parker) che nel biennio 2000 - 20002 si consacra definitivamente al mondo del cinema come attrice di livello, attraversando diversi generi.
Successivamente contribuirà al successo di altri film come Timeline (Richard Donner, 2003), L'ultima porta (Graham Theakston, 2005), The Hunter (Daniel Nettheim, 2011), Jayne Mansfield's Car (Billy Bob Thornton, 2012), Best Man Down (Ted Koland, 2012). Non disdegnando poi ruoli anche in film horror, non per questo meno di successo, quali Mercy nel 2014 e The Conjuring - Il caso Enfield nel 2016.
Nel 2022 esordisce alla regia con il film Emily, che racconta la giovinezza di Emily Bronte e la genesi del suo romanzo più celebre, "Cime tempestose".