Katy O'Brian asistió a la Universidad de Indiana en Bloomington, donde se especializó en psicología y estudios germánicos. Después de graduarse, O'Brian fue oficial de policía en el Departamento de Policía de Carmel en Carmel, Indiana. Mientras trabajaba para el departamento, O'Brian obtuvo su certificación de entrenadora personal y comenzó a competir en competencias de fisicoculturismo. También comenzó su formación en la Indy Actor's Academy. Su primer papel televisivo fue como una salvadora llamada Katy en The Walking Dead (2017) de AMC. No tardó en obtener su primer papel regular en la serie Z Nation (2018). En 2019, O'Brian apareció en la serie Black Lightning de CW como una antagonista de ASA, Major Sarah Grey. Recientemente la vimos como Jentorra en Ant-Man and the Wasp: Quantumania (2023). O'Brian interpreta a Imperial oficial de comunicaciones Elia Kane en la segunda y tercera temporada de The Mandalorian (2020-2023).