뉴욕의 한 호텔에서 연극배우였던 제임스 오닐의 셋째 아들로 태어났다. 호텔을 전전하며 살다가 기숙학교에 들어가지만 친구들과 어울리지 못하고, 프린스턴 대학교에 입학한 후에도 적응하지 못하고 퇴학당한다. 이후 육 년 동안 남미와 뉴욕을 떠돌며 선원 노릇을 하거나 방랑자 생활을 하던 오닐은 1911년 자살을 기도하는 등 힘든 시기를 보낸다. 그 후 결핵에 걸려 요양소에 입원하게 된 오닐은 스트린드베리를 접하면서 연극에 대해 흥미를 느끼게 되고, 퇴원 후 하버드 대학교에서 습작 활동을 한 후 신극 운동가들과 함께 뉴욕 무대에 진출하게 된다.

1920년 「지평선 너머」로 첫 퓰리처상을 받은 오닐은 이후 「안나 크리스티」, 「기묘한 막간극」, 「밤으로의 긴 여로」로 총 4회 퓰리처상을 수상하였고, 1936년에는 노벨 문학상을 받았다.