Chiamata scherzosamente "Miss Red Hot Frozen Face", per via della sua chioma rossa e della sua caratteristica espressione comicamente glaciale, Virginia O'Brien è stata una apprezzata cantante e attrice brillante cinematografica degli anni Quaranta. Figlia di un capitano di polizia, dopo una breve infatuazione per la danza, dovuta al fatto di aver visto ballare Eleanor Powell in un film, sviluppa una forte passione per il canto, cui si dedicherà con amore e serietà.
Debutta ufficialmente sulle scene in uno spettacolo dal titolo Meet the People, messo in scena a Los Angeles nel 1939. La sera della prima Virginia O'Brien entra in scena per esibirsi in un assolo di canto, ma è tale la paura che rimane completamente immobile, col volto pietrificato e gli occhi spalancati, ma nonostante tutto riesce a cantare. L'esibizione avrà un involontario effetto comico sul pubblico. La ragazza, credendo di aver avuto un tremendo insuccesso, sta per andarsene abbattuta quando invece le rivelano di aver avuto uno grande trionfo. Il cinema non tarda a farsi vivo: nel 1940 infatti, l'attrice firma un contratto con la MGM, che la impiega in una decina di sfavillanti musical (Meet the People, 1944; Ziegfeld Follies, id., 1946) e in alcuni deliziosi film comici come Il bazar delle follie (The Big Store, 1941) con i fratelli Marx.
Nonostante venga talvolta relegata a ruoli di supporto o a brevi apparizioni canore, Virginia O'Brien si rivela una delle artiste più amate dal pubblico, per la solare ed intrigante bellezza, il notevole talento recitativo, la stupenda e duttile voce, e la gustosa vis comica.
Nel 1948, dopo una spassosa interpretazione al fianco di Red Skelton nella commedia Merton of the Movies (1947), l'attrice cessa la sua collaborazione con la MGM. Nei decenni seguenti si dedicherà con notevole assiduità al teatro e alla televisione, rimanendo una delle beniamine del pubblico. Tornerà nuovamente al cinema solo due volte, nel 1955 (in Francis in the Navy) e nel 1976 nel disneyano Uno strano campione di football (Gus,). Nel 1980 incide il disco A Salute to the Great MGM Musicals, e nel 1984 è ancora straordinariamente deliziosa nello spettacolo teatrale Showboat, accanto ad Alan Young. Sposata tre volte, l'attrice ha avuto quattro bambini (tre dal secondo marito, l'attore Kirk Alyn, e uno dal terzo).