Après avoir fréquenté l'Université de Pennsylvanie, Gavin O'Connor se lance dans le cinéma. Ainsi, il écrit et produit le premier film du regretté Ted Demme, le court métrage "The Bet". Fort de ce premier essai concluant, Gavin décide de se lancer en écrivant et réalisant son premier long métrage, "Comfortably Numb", qui est présenté au Festival de Cannes. Il enchaine avec le primé road movie Libres comme le vent qu'il finance lui-même et dans lequel il joue.

Passionné de sport, Gavin O'Connor met ensuite en scène Kurt Russell dans Miracle qui raconte comment, aux Jeux Olympiques d'hiver de 1980, l'équipe de hockey américaine a remporté la médaille d'or face aux invincibles Soviétiques. En 2008, il réalise le sombre polar Le Prix de la loyauté qui voit un policier intègre joué par Edward Norton mettre à nu la corruption régnant chez les forces de l'ordre notamment via le personnage corrompu tenu par Colin Farrell.

En 2011, Gavin O'Connor s'attaque à l'ambitieux film de free fight Warrior qui est une franche réussite tant du point de vue des combats (Tom Hardy et Joel Edgerton sont très crédibles en combattants) que de l'émotion (les frères ont chacun une bonne raison de participer au championnat). De plus en plus prisé, le metteur en scène remplace ensuite la réalisatrice de We Need to Talk About Kevin Lynne Ramsay sur le western qui a connu une production particulièrement chaotique Jane Got a Gun. Il retrouve ainsi pour l'occasion le charismatique Joel Edgerton. En 2016, le cinéaste dirige Ben Affleck dans Mr Wolff, l’histoire d'un expert-comptable dans le civil qui est en réalité à la solde de la mafia.