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 responsable des ventes 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 côtés 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, ou Robin dans le troisième et le quatrième Batman (Batman Forever de 1995 et Batman & Robin de 1997), aux côtés successivement de Val Kilmer et de George Clooney. Il se marie le 19 avril 1997 à Caroline Fentress avec qui il a 5 enfants : Lily Anne (née le 6 septembre 1999 en Nouvelle-Zélande), Christopher Eugene Jr (né le 24 octobre 2000), Charles McHugh (Né le 11 juillet 2003 en Californie), Finley (né le 24 Mars 2006 à Los Angeles) et Maeve Frances (née le 10 décembre 2007 à Los Angeles).
Il rejoint un casting hétéroclite pour Cookie's Fortune de Robert Altman. Des centaines de femmes le poursuivent de leurs assiduités dans Le Célibataire (1999) de Gary Sinyor, remake de Les 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 Tchekhov, qui sera présentée au Festival du film de TriBeCa en mars 2005.
Fin 2005, début 2006, Chris O’Donnell fait partie de la fameuse série Grey's anatomy (saison 2), où il jouera pour 10 épisodes le petit copain de Meredith (Ellen Pompeo) face à Dr. Mamour (Patrick Dempsey). Mais il ne perd pas de vue ses projets de cinéma se concrétisant.
En 2009, il apparaît dans le rôle de l'agent spécial G. Callen, chef du Bureau des projets spéciaux (Office of Special Projects) de Los Angeles dans NCIS : Enquêtes spéciales pour deux épisodes de la saison 6 (épisodes 22 et 23 intitulés Légende) et reprend ce rôle dans le spin-off de la série logiquement intitulée NCIS : Los Angeles.