Attore cinematografico e televisivo di fama internazionale, candidato ai Tony Award, Chris è nato a Roscommon, in Irlanda. Ha studiato scienze politiche all'Università di Dublino e si è specializzato alla London Academy of Music and Dramatic Art.

Noto per il ruolo da protagonista nel film Le amiche della sposa al fianco di Kristen Wiig, che gli è valso una nomination ai BAFTA come Miglior star emergente e una agli Screen Actors Guild Award come Miglior cast, nonché l'Irish Film and Television Award come Miglior attore non protagonista. Le amiche della sposa, diretto da Paul Feig e prodotto da Judd Apatow, ha ottenuto due nomination agli Oscar e una ai Golden Globe come Miglior film commedia o musicale ed è stato proclamato Film dell'anno dall'American A Film Institute. Il film ha inoltre vinto il Critics’ Choice Movie Award e il People’s Choice Award come Miglior commedia ed è stato premiato da diversi gruppi di critici indipendenti americani per il Miglior cast. Le amiche della sposa ha ottenuto un grande successo al botteghino, con quasi 300 milioni di incassi in tutto il mondo.

E' apparso al fianco di Ray Romano nella serie EPIX Get Shorty, basata sull'omonimo film. Il suo personaggio, Miles Daly, cerca di diventare un produttore cinematografico di Hollywood per lasciarsi alle spalle i trascorsi criminali e riavvicinarsi alla famiglia da cui si è da poco separato. La serie ha esordito su EPIX il 13 agosto 2017 ed è stata apprezzata dalla critica.

O'Dowd ha inoltre partecipato al film Netflix di Jim Stouse The Incredible Jessica James con Jessica Williams; il suo ruolo è quello di Boone, un divorziato con il cuore spezzato che si trova inaspettatamente a legare con Jessica James.

L'attore è poi apparso nella pellicola di Dorota Kobiela e Hugh Welchman Loving Vincent, con Saoirse Ronan, presentata in anteprima al London Film Festival 2017 e uscita negli USA il 22 settembre 2017; in Molly’s Game di Aaron Sorkin, con Jessica Chastain, Idris Elba e Kevin Costner, presentato al Toronto International Film Festival 2017 e uscito negli USA il 22 novembre 2017; e in The Cloverfield Paradox di Julius Onah, prodotto da J.J. Abrams e uscito nel 2018. Infine O'Dowd ha completato le riprese di Juliet, Naked – Tutta un'altra musica con Rose Byrne ed Ethan Hawke, per la regia di Jesse Peretz.

Fra gli altri film di Chris O'Dowd ricordiamo: The Sapphires di Wayne Blair, che ha superato i record di botteghino in Australia e permesso a O'Dowd di ottenere l'AACTA Award come Miglior attore protagonista; Love After Love di Russell Harbaugh; il mockumentary Netflix Mascots di Christopher Guest; Miss Peregrine – La casa dei ragazzi speciali di Tim Burton; The Program di Stephen Frears; St. Vincent, con Bill Murray e Melissa McCarthy, per la regia di Theodore Melfi; Cuban Fury di James Griffiths; Calvario di John Michael McDonagh; la produzione Marvel Thor: The Dark World; Questi sono i 40 di Judd Apatow, con Paul Rudd; Friends With Kids di Jennifer Westfelt, con John Hamm e Kristen Wiig; A cena con un cretino, con Paul Rudd e Steve Carell, per la regia di Jay Roache; I fantastici viaggi di Gulliver di Rob Letterman; I Love Radio Rock di Richard Curtis, con Philip Seymour Hoffman; e Frequently Asked Questions About Time Travel di Gareth Carrivick. O'Dowd è inoltre apparso in Festival, candidato a due BAFTA, fra cui quello come Miglior film britannico; questa interpretazione gli è valsa BAFTA Scotland come Miglior attore in un film scozzese. Infine O'Dowd ha doppiato il blockbuster d'animazione di Chris Wedge Epic – Il mondo segreto, insieme a Beyonce, Amanda Seyfried e Jason Sudeikis.

Nel mondo televisivo O'Dowd è noto per la serie commedia cult The It Crowd; nonché per Girls di Lena Dunham (HBO), Family Tree di Christopher Guest (HBO), Crimson Petal And The White (BBC) e Moone Boy (Sky One, Hulu). O'Dowd ha scritto, diretto e interpretato Moone Boy, una commedia semi-autobiografica basata sulla sua infanzia nell'Irlanda degli anni Novanta, nella cittadina di Boyle. L'attore interpreta l'amico immaginario del piccolo Martin Moone; la serie ha vinto l'Emmy come Miglior commedia nel 2013, ha ottenuto la nomination come Miglior nuova commedia ai British Comedy Award e conquistato il premio IFTA come Miglior programma di intrattenimento nello stesso anno. Nel 2014 Moone Boy ha vinto il British Comedy Award come Miglior sitcom e riconquistato il premio IFTA per il secondo anno consecutivo, mentre nel 2015 ha ottenuto una nomination ai BAFTA nella categoria Miglior sitcom commedia.

In ambito teatrale O'Dowd ha interpretato Lennie in Uomini e topi di John Steinbeck, con James Franco; il ruolo gli è valso una nomination ai Tony Award come Miglior attore protagonista, una ai Drama Desk come Miglior attore teatrale e una ai World Award per la Miglior performance di debutto a Broadway". Prima di Uomini e topi, nel 2008, O'Dowd aveva anche recitato in Under The Blue Sky di Anna Mackmin, al fianco di Catherine Tate e Francesca Annis, al Duke of York Theatre nel West End londinese.