Asistió a la Universidad de Oklahoma y estudió arte dramático en la American Academy of Dramatic Arts, después de lo cual hizo carrera en el teatro y en el cine.
Firmó un contrato con Samuel Goldwyn para participar en su primera película, The Best Years of Our Lives (1946), donde interpretó a Wilma Cameron.
Luego, en RKO, trabajó con Farley Granger en They Live by Night (1947), de Nicholas Ray.
A los veintitrés años, se casó con Robert Wyler, de cuarenta y ocho años en aquel entonces, hermano mayor del director William Wyler.
O'Donnell también formó parte del elenco de Ben-Hur (1959) como Tirzah, la hermana menor de Judah Ben Hur (Charlton Heston).