Райан О’Нил — старший сын начинающего тогда сценариста Чарльза О’Нила и актрисы Патрисии О’Каллаган. Его дедушка был ирландец, а бабушка — еврейка. По этой причине детство Райана прошло в особенной среде, ему приходилось жить в разных странах. Так, часть детства будущего актёра прошла в Германии.
Юные годы актёр провёл в путешествиях: работал спасателем, занимался боксом. Два раза (в 1956 и 1957 годах) выиграл звание чемпиона Лос-Анджелеса[источник не указан 398 дней]. С конца 1950-х годов снимался в телесериалах как дублёр, затем на незначительных ролях, пока не получил более заметную — в сериале «Империя» (1962—1963).
Первой женой актёра стала актриса Джоанна Мур. Их брак продлился четыре года (1963—1967). В 1963 году у них родилась дочь Татум О’Нил, которая в возрасте 10 лет станет самой юной обладательницей премии «Оскар» в истории. В 1964 году у пары родился сын Гриффин. В 1967 году Райан О’Нил и Джоанна Кук Мур развелись. Сразу после развода, в том же году, Райан женился на актрисе Ли Тейлор-Янг. В этом браке у него родился сын Патрик, а позже ещё один — Редмонд, от внебрачной связи с актрисой Фэррой Фосетт. Брак с Ли Тейлор-Янг продлился шесть лет, до 1973 года.
В 1964—1969 годах снимался в телесериале «Пейтон-Плейс», а мелодрама «История любви» принесла О’Нилу широкую известность и номинацию на премию «Оскар». В фильмах «Бумажная луна» (1973), «Торговцы грёзами» (1976) О’Нил сыграл вместе с дочерью Татум.
В 2001 году О’Нилу был поставлен диагноз хронический миелоидный лейкоз[7]. В апреле 2012 года актёр сообщил, что у него диагностировали рак предстательной железы[8].
