Chris O'Donnell est le cadet d'une famille de 7 enfants. Il grandit à Winnetka, dans l'Illinois. Il fait ses études à l'université de Boston, où il obtient un diplôme de Marketing. Son premier emploi fut commercial chez McDonald. Mais il est encore étudiant lorsqu'il tourne dans son premier film, Men don't leave où il joue le fils de Jessica Lange.

Il se fait remarquer aux cotés d'Al Pacino dans Le Temps d'un week-end, remake de Parfum de femme de Dino Risi.

Puis il interprète D'Artagnan dans Les Trois mousquetaires (1993), de Stephen Herek Stephen Herek , ou Robin dans le troisième et le quatrième Batman, aux cotés respectivement de Val Kilmer et de George Clooney. Il se marie en 1997 à Caroline Fentress, dont il a une fille, Lily Ann, en septembre 1999, et un garçon, Christopher Eugene, en octobre 2000.

Il rejoint un casting hétéroclite pour Cookie's Fortune de Robert Altman.

Des centaines de femmes le poursuivent de leur assiduités dans Le Celibataire (1999) de Gary Sinyor, remake de Fiancées en folie (1925), un film réalisé et interprété par Buster Keaton. Après ce détour vers la comédie romantique, il revient aux films d'action et policier avec Vertical limit (2000) de Martin Campbell et 29 Palms de Leonardo Ricagni (2002) inédit en France.

Chris O'Donnell décide alors de passer plus de temps avec sa famille. Il devient père pour la troisième fois, d'un garçon Chris Junior et joue au théâtre. L'année 2004 marque son retour sur les plateaux de cinéma. Dans Dr Kinsey, il joue l'un des assistants du scientifique, interprété par Liam Neeson. Et dans Sisters, l'adaptation hollywoodienne de la pièce de Tchékhov, qui sera présentée au festival de Tribeca en mars 2005.