Barbara O'Neil va néixer a Saint Louis (Missouri). Va passar una infància feliç amb els seus pares. Als vuit anys va començar a anar al Sarah Lawrence College, a San Louis. La seva passió pel cinema, teatre i ball comença a la universitat, assistint a espectacles durant l'estiu.
El 1930, Bàrbara es va casar amb el rector de la universitat, Joshua Logan. Però el matrimoni va fracassar, per la qual cosa uns anys més tard va arribar el divorci. La parella no havia tingut tenir fills.
El 1937 va aparèixer per primera vegada a la pantalla gran, protagonitzant Stella Dallas, una pel·lícula de King Vidor, que també protagonitzava Barbara Stanwyck. La pel·lícula va ser un èxit, i per tant, en els següents dos anys, treballaria en altres set pel·lícules. El 1938 va protagonitzar Love, Honor and Behave, The Toy Wife i I am the Law. L'any següent intervindria a The Sun Never Sets, When Tomorrow Comes, Tower of London.
Al 1939 se li va presentar l'oportunitat d'unir-se a l'elenc d’Allò que el vent s'endugué, en el paper de Hellen. Aquesta pel·lícula va aconseguir fer-la encara més popular, tant és així que el 1940 va interpretar al costat de Bette DavisAll this, and Heaven too. Per la seva actuació va rebre una nominació a l'Oscar el 1940.[2]
A partir de l'any següent la seva presència a la pantalla gran va començar a declinar. Va treballar fins al 1961, quan es va retirar a la seva vila de Cos Cob, a Connecticut.
Al teatre, treballa a Broadway entre 1932 i 1960. A la televisió, participa en algunes sèries de 1954 a 1957. El 1971 va ser cridada a actuar en un paper secundari a Leoni di Petersburgo.
Va morir el 3 de setembre de 1980, als 70 anys, per causes naturals.