Annie O'Donnell a commencé sa carrière d'actrice en décrochant des rôles dans des films comme la comédie de Richard Benjamin « Saturday the 14th » (1981), le film d'action de Clint Eastwood « Heartbreak Ridge » (1986) et la comédie dramatique de Diane Keaton « Baby Boom » (1987). Elle a également participé au film d'action « Easy Wheels » (1989) aux côtés de Paul Le Mat, à la comédie « Homer and Eddie » (1989) avec James Belushi et au film d'action « Kickboxer 2 » (1991) avec Sasha Mitchell. Elle a continué à travailler régulièrement au cinéma tout au long des années 90, apparaissant dans la comédie « Black Sheep » (1996) avec Chris Farley, « Born Bad » (1998) et la comédie dramatique « The Players Club » (1998) avec Ice Cube. Elle a également participé à « Blast From the Past » (1999) avec Brendan Fraser.
Plus récemment, elle a continué à jouer dans « King of California » (2007) avec Michael Douglas, le blockbuster d'action de Shia LaBeouf « Transformers : Dark of the Moon » (2011) et la comédie dramatique de Jean Dujardin « The Artist » (2011). Elle a aussi travaillé à la télévision pendant ces années, notamment dans « Grey's Anatomy » (ABC, 2004-). Elle a également prêté sa voix distinctive à « Diary of a Wimpy Kid : Rodrick Rules » (2011). O'Donnell a récemment joué dans la comédie de Zoe Kazan « The Pretty One » (2014).
