Le Dr O'Donnell est professeur adjoint au Yale Child Study Center et au Département d'obstétrique, de gynécologie et des sciences de la reproduction au sein de la Yale School of Medicine, où il dirige le groupe de recherche Health-Omics & Perinatal Epidemiology (HOPE).

Les recherches du Dr O'Donnell portent sur la santé mentale périnatale maternelle et les origines développementales de la santé mentale. Son groupe intègre des données génomiques et épigénomiques avec des mesures de risque psychosocial pour 1) mieux comprendre les différences individuelles en matière de santé mentale périnatale maternelle et 2) identifier les processus moléculaires qui sous-tendent l'influence persistante de l'environnement prénatal sur le développement neurologique de l'enfant/adolescent.