Damien Odoul a réalisé son premier long-métrage, Morasseix, à l'âge de vingt-trois ans, film dans lequel il interprète le rôle de César. Produit par Patrick Grandperret et co-produit par la Sept-Arte, le film est distribué douze ans plus tard dans une seule salle à Paris, mais aussi sélectionné à Venice Days.

Le Souffle2, son second film, est récompensé par le Grand Prix du Jury et le Prix Fipresci à la Mostra de Venise en 2001 et le prix Michel-Simon. En 2002, il tourne Errance, avec Lætitia Casta et Benoît Magimel, présenté au Festival international du film de Toronto. Son quatrième long métrage, En attendant le déluge, avec Pierre Richard et Anna Mouglalis, est sélectionné à la Quinzaine des réalisateurs à Cannes en 2004.

En parallèle, Damien Odoul a écrit deux premiers recueils de poèmes avant de se consacrer en 2004 aux Poèmes du milieu, 1 à 39 qu’il interprète sur France Culture (Atelier de Création Radiophonique). Il termine en 2010 les Poèmes du milieu, 40 à 883. Une lecture a lieu au théâtre des Bouffes du Nord dans le cadre du Festival Paris en toutes lettres en 2010, et au Festival d'Avignon en 2011 (en direct sur France Culture4) ainsi qu'au Centre international de poésie Marseille en 2012.

En 2005, Damien Odoul est approché par Hamish McAlpine qui lui propose d'adapter L'Histoire de l'œil de George Bataille. En compagnie du scénariste Antoine Lacomblez, ils écrivent ensemble l'adaptation sulfureuse du roman, mais malheureusement le film ne verra pas le jour.

En 2006, L'Histoire de Richard O., avec Mathieu Amalric et Stéphane Terpereau est sélectionné à la Mostra de Venise dans la section « Orizonti ». En 2007, Damien Odoul expose Virtual fight et lymphatique5, vidéos et photographies, dans le nouvel espace de la galerie Kamel Mennour à Paris avec Daniel Buren. En 2009, La Folle Parade, documentaire de création tourné sur trois ans auprès de personnes avec un handicap mental, est diffusé sur France 2 (dans le programme Histoires courtes) à l'occasion d'une soirée consacrée au cinéaste.

En 2011 est diffusé sur Arte Le Reste du monde avec Marie-Eve Nadeau et Emmanuelle Béart, sélectionné aux Festivals de Rotterdam, Hong-Kong, Shanghaï, Édimbourg, Durban, Melbourne, Namur, São Paulo, Taïwan, Göteborg, et reçoit une dérogation pour sortir en salles. Cette même année, il crée et met en scène6 au théâtre des Bouffes du nord la pièce MEFAUSTI7, librement adapté de La Tragique Histoire du docteur Faust de Christopher Marlowe.

En 2012, il termine La Richesse du loup, qui est sélectionné au FID Marseille et au Festival de Locarno. Le film est projeté à la Cinémathèque française8 en mars 2017. En 2015, le cinéaste termine son septième long-métrage intitulé La Peur, librement adapté du roman de Gabriel Chevallier, qui remporte le prix Jean-Vigo 2015. En 2016, il expose Les Visions, photographies et vidéo à la Galerie Laure Roynette9 à Paris.

Damien Odoul produit deux documentaires réalisés par sa compagne Marie-Eve Nadeau, présentés au Festival des films du monde à Montréal. La même année, il fonde SYLVART, avec elle et sa collaboratrice Myrtille Saint-Martin, un projet environnemental et novateur autour de l’art brut. Conjointement à cette résidence artistique, il crée Art vs Wild10, une web série de 36 minutes produite par ARTE Creative et présentée à la Galerie Christian Berst en novembre 2016.

En 2017, un livre d’art autour de son travail de cinéaste, Résurrection permanente d'un cinéaste amoureux, est publié aux éditions Les Cahiers dessinés11. Avec une préface d'André S. Labarthe. Il est également lauréat d'une résidence à la Villa Kujoyama à Kyoto. Il termine en 2020 son neuvième long métrage intitulé Théo et les Métamorphoses12, sélectionné à la Berlinale 2021 dans la section Panorama, ainsi qu'aux Seville European Film Festival, IFF New horizons, FEMA...