Joel O'Donnell comenzó a modelar por primera vez a los trece años. Cuando tenía diecisiete años, se estaba preparando para dejar de actuar y modelar, pero le pidieron una audición para cuál sería su primera película, Men Don't Leave (1990). O'Donnel no quería ir a la audición, pero su madre lo convenció diciéndole que le compraría un auto nuevo si iba. Después apareció en algunas películas importantes, incluyendo Perfume de mujer (1992), Mad love (1995) y Límite vertical (2000). También interpretó a Dick Grayson/Robin en Batman eternamente (1995) y Batman y Robin (1997). Según los informes, fue parte de un grupo de importantes candidatos que finalmente se redujo a Leonardo DiCaprio y O'Donnell. En una convención de cómics, le preguntaron a un grupo de niños de once años, el público objetivo, qué actor podría ganar una pelea a puñetazos. Después de que los niños declararon abrumadoramente a O'Donnell como el ganador, finalmente se le dio el papel. Desde 2009, O'Donnell ha protagonizado NCIS: Los Ángeles como G. Callen, un agente especial de NCIS.