Irlandais par son père et anglais par sa mère, Jack O’Connell grandit à Derby en Angleterre et se passionne rapidement pour le football, que pratiquait à haut niveau son grand-père, avant de bifurquer vers le métier d’acteur. Diplômé du Performing Arts College, il débute sa carrière dans la foulée, en 2005, dans le soap-opéra britannique Doctors et le feuilleton télévisée The Bill.

Son premier rôle au cinéma, il le doit au réalisateur britannique Shane Meadows, qui le dirige en 2006 dans This is England, drame social sur les mouvements skinheads. Puis il partage l’affiche du thriller d'épouvante Eden Lake (2008). L’acteur britannique y campe Brett, un horrible chef de bande qui mène la vie dure au couple Kelly Reilly/Michael Fassbender.

Mais son rôle le plus marquant reste celui de James Cook, une tête brûlée qui aime jouer avec le feu, dans les saisons 3, 4 et 7 de la série sulfureuse Skins.

Côté cinéma, l’acteur joue essentiellement dans des productions britanniques et notamment dans le vigilante movie Harry Brown (2011) porté par Michael Caine et le thriller nerveux The Liability (2012), aux côtés de deux grands acteurs britanniques, Tim Roth et Peter Mullan. Il prête ses traits à Adam, un adolescent de 19 ans propulsé dans un monde cauchemardesque rythmé par la violence, le sexe et la mort. 

En 2014, Jack O’Connell rejoint les rangs de l’armée de 300 : La naissance d’un Empire. Cette même année, il continue de jouer les gros durs dans le film carcéral Les Poings contre les murs où il se glisse dans la peau d'un jeune délinquant projeté dans une prison pour adultes, et campe ensuite un soldat piégé dans un quartier de Belfast ('71). Deux rôles principaux et forts amenant à penser que la carrière de l'acteur est sur une très bonne voie.

Début 2015, Jack incarne le personnage central du second long métrage de fiction d'Angelina Jolie, Invincible. Il campe ensuite un homme ruiné prenant le présentateur George Clooney en otage dans Money Monster, un condamné à mort dans Trial By Fire, l'ingénieur du son Jack Solomon dans Seberg et un combattant dans La Loi de la jungle. Il goûte aussi à la romance avec Si je t'oublie... je t'aime et L'Amant de lady Chatterle.

Décidément friand de biopics, Jack apparaît dans Ferrari de Michael Mann et Back to Black de Sam Taylor-Johnson. Côté séries, il interprète le personnage principal de SAS Rogue Heroes, qui se déroule durant la Seconde Guerre mondiale. Début 2025, il est à l'affiche de deux films d'horreur : le vampirique Sinners et la suite de 28 semaines plus tard : 28 ans plus tard.