Filla de l’actriu Maggie Baird i el guionista i músic Patrick O’Connell, rebé l’educació bàsica a casa, d’acord amb una metodologia d’aprenentatge d’enfocament artístic. S’incorporà a una coral infantil de Los Angeles i, a través de la plataforma digital YouTube, es formà de manera autodidàctica en guitarra i piano. Amb només onze anys ja començà a compondre cançons, i el 2016 saltà a la fama amb la interpretació d’Ocean Eyes, una peça escrita pel seu germà Finneas O’Connell i el seu grup de música.
Dos anys més tard, publicà les seves primeres cançons al disc EP (extended play) Don’t Smile at Me, amb el qual guanyà un lloc al Sound of 2018 de la BBC, un prestigiós rànquing que recull les noves promeses del panorama musical del moment. El seu primer disc arribà un any després (When We All Fall Asleep, Where Do We Go?), amb el qual el 2020 guanyà cinc premis Grammy (enregistrament de l’any; àlbum de l’any; cançó de l’any, per Bad Guy; millor artista revelació, i millor àlbum vocal pop). L’any 2021 publicà el seu segon àlbum, Happier Than Ever.
El 2022 guanyà un premi Oscar a la millor cançó per la interpretació de No Time to Die, música introductòria de la pel·lícula homònima de James Bond (2021) i el 2024 el mateix guardó per What Was I Made For?, cançó inclosa en la banda sonora de la pel·lícula Barbie (2023) i que compongué juntament amb Finneas O’Connell; aquesta darrera també obtingué un Grammy a la millor cançó del 2023. També ha estat guardonada amb el premi a la millor artista internacional dels Brit Awards (2020), amb diversos reconeixements al Billboard Music Awards (2020), un premi MTV (2021) i dos Grammy (2021), entre d’altres.