À 18 ans, lors de la Première Guerre mondiale, il s’enrôle dans la Marine des Etats-Unis, servant sur un chasseur de sous-marins, puis se porte volontaire pour secourir les soldats blessés et sera décoré pour son courage au feu.. En 1918 sous la tutelle de l'armée il devient champion de boxe de poids mi-lourd de la flotte du Pacifique.

Démobilisé, George O’Brien rencontre Tom Mix qui lui offre un contrat d’assistant-opérateur dans sa compagnie de production. Sportif, il devient doublure et cascadeur dans les westerns de série B pour les studios Fox. Sa fougue attire l’attention de John Ford à la recherche d’un jeune acteur, pour son western épique «Le cheval de fer» (1924) la vengeance d’un fils pour son père tué par les Indiens pendant la construction d’une ligne de chemin de fer. Le film connaît un immense succès, George O’Brien gagne ses galons de vedette. Il tourne encore neuf films pour John Ford, citons «Le champion» (1925), où il campe un alcoolique qui va devenir champion de boxe avec Victor McLaglen et Billie Dove ; Rowland V. Lee réalise le mélodrame de guerre «Havoc» (1925) deux anglais George O'Brien et Walter McGrail sont amoureux de la frivole Margaret Livingston, lors de la Première Guerre mondiale les deux hommes s’engage, une rivalité naissante aura des conséquences dramatiques.

Il enchaîne avec «L’aigle bleu» (1926) où George O’Brien et William Russell interprètent deux chefs de gangs rivaux qui s’affrontent dans des combats de rue. En 1927, Friedrich Wilhelm Murnau réalise un mélodrame intense «L’Aurore», un chef d’œuvre, où l’on découvre le jeu intense de George O’Brien en pécheur qui perd la tête sous l’emprise de Margaret Livingston, une citadine au charme vénéneux qui l’incite à supprimer son épouse, Janet Gaynor, mais le véritable amour vaincra. Pour Michael Curtiz, dans «L’Arche de Noé» (1929), il est Japhet, un des trois fils de Noé avec Dolores Costello, Noah Beery le Roi Nephiliu et Paul McAllister Noé. Il retrouve John Ford pour «Le corsaire de l’Atlantique» (1931), l’un de ses premiers films parlants où il est le commandant d’un navire de combat dont le but est de détruire le l'U-172 allemand du baron Von Steuben., sans le savoir lors d’une escale il tombe amoureux de la fille de son ennemi. Entre 1924 et 1932, on peut le voir aussi à Broadway, comme choriste dans des comédies musicales.

Après sa fructueuse filmographie au temps du muet, dans les années 30 et 40, sa filmographie est moins intéressante, George O’Brien tourne sous la direction de David Howard dans une vingtaine de westerns à petit budget. Il est tour à tour, un garde forestier, un propriétaire de ranch, un cow-boy amoureux de la belle, un policier des frontières et plusieurs fois un homme de loi qui défend les opprimés face à des bandes de hors-la-loi.

Il termine sa carrière en retrouvant John Ford. Il interprète le capitaine Sam Collingwood dans «Le massacre de Fort Apache» (1947), puis le Major Mac Allshard dans «La charge héroïque» (1949), deux westerns dont John Wayne est la vedette. Pour son dernier rôle, il incarne le major Braden dans «Les Cheyennes» (1963), vibrant hommage à la cause indienne. George O’Brien se retire dans son ranch de Broken Arrow, dans l’Oklahoma, menant la vie de cow-boy.

Victime d’un AVC en 1981, il reste cloué au lit les quatre dernières années de sa vie. Il décède le 4 septembre 1985, à l’âge de 86 ans. Il fut marié à l’actrice Marguerite Churchill entre 1933 et 1948, la mère de ses deux enfants, Orin devenue contrebassiste pour le New York Philharmonic et Darcy futur romancier populaire.