Edmond O'Brien lahir pada 10 September 1915 di Brooklyn, New York. Awalnya, ia belajar seni pertunjukan sebagai pesulap, bahkan pernah diajar oleh Harry Houdini. Pada masa sekolah, ia aktif di teater dan menekuni drama di Fordham University, namun drop out setelah enam bulan.

Debut teater Broadway-nya terjadi saat usia 21 tahun pada 1936, dan di tahun yang sama, ia tampil sebagai 'The Gravedigger' dalam produksi 'Hamlet' karya John Gielgud. Empat tahun kemudian, ia bermain sebagai 'Mercutio' di 'Romeo & Juliet' bersama Laurence Olivier.

O'Brien bekerja sama dengan Orson Welles dalam Mercury Theater, tampil sebagai 'Mark Antony' dalam 'Julius Caesar' dan kemudian memerankan Casca di film 'Julius Caesar' (1953).

Di Hollywood, ia dipanggil RKO dan mendapatkan peran penting dalam film seperti The Hunchback of Notre Dame (1939). Setelah melayani di Angkatan Udara saat Perang Dunia II, O'Brien membangun karier sebagai aktor pendukung dalam film-film terkenal dan kadang memerankan tokoh utama seperti di D.O.A. (1949).

Puncak kariernya termasuk memenangkan Oscar untuk Best Supporting Actor dalam film The Barefoot Contessa (1954). Ia juga pernah dinominasikan untuk Oscar di tahun 1964 untuk perannya sebagai senator mabuk dalam Seven Days in May. Di akhir hayat, ia lebih banyak tampil di televisi dan turut serta dalam proyek film tak selesai karya Welles, The Other Side of the Wind (2018).

O'Brien pernah menikah dan bercerai dengan aktris Nancy Kelly dan Olga San Juan, ibu dari tiga anaknya, termasuk aktor Maria dan Brendan O'Brien. Ia meninggal dunia pada Mei 1985 di Inglewood, California, karena Alzheimer dan dimakamkan di Holy Cross Cemetery, Culver City, California.