Nato a Los Angeles nel 1941, Charles Patrick Ryan O’Neal - meglio noto come Ryan O’ Neal -, figlio di un’attrice americana di origini irlandesi e per metà ebraiche ashkenazite e di uno scrittore e sceneggiatore di origini irlandesi ed inglesi, dopo alcune apparizioni, all’inizio degli anni Sessanta, in serie tv come Gli intoccabili, Il virginiano, Carovane verso il West, Perry Mason e La parola alla difesa, si fa conoscere dal grande pubblico recitando nella soap opera Peyton Place (1964-68) insieme ad una giovane Mia Farrow (la quale, di lì a breve, si sarebbe affermata con il celebre Rosemary’s Baby di Roman Polanski).

La notorietà arriva con l’interpretazione di Oliver Barrett IV in Love Story (1970), in cui recita con Ali MacGraw e Ray Milland, e con cui ottiene una Nomination all'Oscar come Miglior Attore Protagonista, una nomination al Golden Globe, e il David di Donatello come Miglior Attore Straniero. Tale ruolo, visto anche l’enorme successo del film, è uno fra quelli per cui O Neal è maggiormente noto presso il cosiddetto “grande pubblico”.

Tuttavia, i suoi film più interessanti arriveranno negli otto/nove anni successivi: lo ricordiamo nel ruolo del giovane cowboy nel western Uomini selvaggi (1971) di Blake Edwards, con William Holden, in coppia con un’indiavolata Barbra Streisand nelle commedie Ma papà ti manda sola? (1972) di Peter Bogdanovich e Ma che sei tutta matta? (1979) di Howard  Zieff, in Paper Moon - Luna di Carta (1973) di P. Bogdanovich, in cui recita con sua figlia - all’epoca bambina - Tatum O Neal, in Il ladro che venne a pranzo (1973) di Bud Yorkin, in Vecchia America (1976) di P. Bogdanovich, Quell’ultimo ponte (1977) di Richard Attenborough, Oliver’s Story (1978) di John Korty, e soprattutto in quelle che vengono considerate le due migliori performances della sua carriera: quella del cinico arrivista irlandese protagonista del celebre Barry Lyndon (1975) di Stanley Kubrick, tratto dal libro omonimo di William Makepeace Thackeray, e quella dell’abilissimo pilota automobilistico che viene ingaggiato dalle gang criminali per guidare le loro macchine e sfuggire agli inseguimenti della polizia in Driver, l’imprendibile (1978) di Walter Hill, con Isabelle Adjani e Bruce Dern.

Negli anni Settanta viene anche preso in considerazione per il ruolo - poi andato al giovane Al Pacino - di Michael Coleone in Il Padrino (1972) di Francis Ford Coppola e per quello - poi affidato a Sylvester Stallone - di Rocky Balboa in Rocky (1976) di John G. Avildsen.

Alla fine del decennio conosce Farrah Fawcett (1947-2009), all’epoca star del telefilm Charlie's Angels (1975-79), che diventerà la sua compagna e con la quale lavorerà in vari film - fra cui Sacrificio d'amore (1989) di David Greene - e nella serie televisiva Good Sports (1991-92).

A partire dagli anni Ottanta la sua carriera comincia un lungo declino e non tornerà più ai livelli precedenti.

Fra gli altri film ricordiamo Il ranch della violenza (1962) di Arthur Hiller, con Charles Bronson e Richard Egan, I formidabili (1969) di Michael Winner, con Michael Crawford, Charles Aznavour e Stanley Baker, Jeans dagli occhi rosa (1981) di Andrew Bergman, con Mariangela Melato e Jack Warden, Vertenza inconciliabile (1984) di Charles Shyer, con Drew Barrymore, Sam Wanamaker ed una giovane Sharon Stone, Febbre di gioco (1985) di Richard Brooks, con Catherine Hicks, Giancarlo Giannini, Chad Everett e John Saxon, I duri non ballano (1987) di Norman Mailer, con Isabella Rossellini e Lawrence Tierney, Uno strano caso (1989) di Emile Ardolino, con Ropbert Downey Jr e Cybill Shepherd, Infedeli per sempre (1996) di Paul Mazursky, Hollywood brucia (1997) di Alan Smithee, Zero Effect (1998) di Jake Kasdan, con Bill Pullman, The List (2000) di Sylvain Guy, con Ben Gazzara, People I Know (2002) di Daniel Argrant, con Al Pacino, Kim Basinger e Bill Nunn,  Waste Land (2007) di Rebecca Chaney.

In epoche più recenti è apparso in Knight of Cups (2015) di Terrence Malick.

Attivo anche in televisione, fra il 2006 e il 2017 è apparso in oltre venti episodi della serie Bones (2005-2017), in cui interpreta il padre della protagonista, l’anatomo-patologa Temperance Brennan (interpretata da Emily Dechanel).