Edmond O’Brien was pas tien jaar toen hij zelf de trucjes, geleerd van zijn buurman (!) Harry Houdini, als amateur bracht voor een beperkt publiek. Als rijpere tiener studeerde hij één jaar aan de Fordham University tot hij zich dank zij een studiebeurs kon laten inschrijven aan de Neighborhood Playhouse School. Om het hoofd financieel boven water te houden had hij een baantje als bankbediende. Nadat hij was geslaagd aan de Neighborhood Playhouse School speelde bij het repertoire-theater. Daarnaast deed hij ook radiowerk. Uiteindelijk kreeg hij ook kleine rollen op Broadway waarna hij zich in 1937 aansloot bij het Mercury Theatre van Orson Welles.

Toen werd hem door RKO een contract aangeboden en ging hij naar Hollywood. Vanaf 1938 was hij te zien in zowel hoofd- als bijrollen. Hij maakte zijn filmdebuut in Huncback of Notre Dame maar was ook te zien in D.O.A. (1950). Voor zijn rol van de zwetende en ratelende PR-man in The Barefoot Contessa kreeg hij een Oscar. Het was in deze periode dat O'Brien te horen was op de radio in de titelrol van Yours Truly, Johnny Dollar, een rol die ook nog door een aantal andere acteurs werd vertolkt.

Zijn carrière ging nog door tot in de jaren ’70 maar zijn beste vertolkingen waren die de in klassieke film noir: die in White Heat, The Killers en het daarnet al vermelde D.O.A. Daarin gaat hij in de laatste 24 uur die hij nog te leven heeft op zoek naar de persoon die ervoor heeft gezorgd dat hij een traag werkend gif toegediend kreeg.

O’Brien was ook te zien op televisie. In de jaren ’60 in de televisieseries Johnny Midnight (1960), Sam Benedict (1962–1963) en The Long Hot Summer (1965-1966).

Zelf heeft hij ook een aantal afleveringen van televisieseries geregisseerd én twee langspeelfilms: Shield for Murder (1954) in samenwerking met Howard W. Koch en Moontrap (1961).

Actrice Nancy Kelly was zijn eerste vrouw waar hij mee trouwde in 1941 maar in 1942 alweer van scheidde. Olga San Juan was zijn tweede echtgenote waar hij mee trouwde in 1948, ze hadden drie kinderen: Maria, Bridgette en Brenden. Olga San Juan was gekend als de Puerto Rican Pepper Pot die met haar voor Latijns-Amerika zo gekende temperament voor het nodige animo in musicals zorgde. Dochter Maria O'Brien werd televisie- en filmactrice, haar rol in Smile (1975) is de gekendste. In 1967 werd de echtscheiding tussen O'Brien en San Juan uitgesproken.

De acteur stierf in 1985 aan de gevolgen van de ziekte van Alzheimer.