Nato in Irlanda, in realtà O'Toole è cresciuto in Inghilterra nella città di Leeds. Proprio al Teatro Civico di Leeds debutta nel 1949 come attore, per poi entrare, con una borsa di studio, alla Royal Academy of Dramatic Arts. Nel 1955 si unisce alla prestigiosa compagnia dell'Old Vic di Bristol, con la quale reciterà una sessantina di lavori celebri, per lo più del repertorio shakespeariano. Al cinema esordisce nel 1960 con Il ragazzo rapito (Kidnapped), per la regia di Robert Stevenson, e dopo soli due anni diventa una stella internazionale di massima grandezza grazie all'interpretazione di Thomas Edward Lawrence nel film Lawrence d'Arabia, diretto da David Lean. Da quel momento O'Toole ha continuato a lavorare nel cinema e in TV; recitando in moltissimi film, tra cui spiccano La Bibbia (The Bible: In The Beginning), Lord Jim, James Bond 007 - Casino Royale (Casino Royale), Il leone d'inverno (The Lion in Winter), L'ultimo imperatore e Troy.O'Toole venne candidato ben 8 volte all'Oscar ma conquisto' solo una statuetta alla carriera nel 2003. È stato doppiatore del critico gastronomico Anton Ego nella versione originale di Ratatouille, il film animato della Pixar del 2007 che narra la storia di un topo con la passione per la cucina. Il 12 Luglio 2012 ha deciso di abbandonare la carriera cinematografica.. Il 14 dicembre 2013 è morto al Wellington Hospital a Londra, dopo lunga malattia