O'Toole je odrastao uLeedsu u sjevernojEngleskoj. Rođen je godine1932. od oca Irca i majke Škotkinje. Izjavio je kako nije siguran oko pravoga datuma svog rođenja, no ipak je odabrao 2. Kolovoz kao svoj službeni rođendan. Mjesto njegova rođenja je također bilo sporno, jer je imao dva rodna lista od kojih je jedan navodio Irsku kao mjesto rođenja, a drugi Englesku. Kraljevska bolnica u Leedsu je dokazala svojim arhivskim spisom da je O'Toole zapravo rođen u Engleskoj. TijekomDrugog svjetskog rata je zajedno s ostalom gradskom djecom evakuiran na selo, gdje je za vrijeme trajanja rata pohađao Katoličku školu. Godine1949. debitira kao glumac u gradskom kazalištu u Leedsu, da bi se upisao kao stipendist na "Kraljevska Akademija dramskih umjetnosti" uLondonu. Godine1955. se pridružuje kazalištuOld Vic uBristolu, gdje je nastupio u oko 60-tak predstava i to većinom iz repertoaraWilliama Shakespearea.
Na filmu debitira godine 1960., u adaptacijiStevensonovog romanaKidnapped, te dvije godine kasnije postaje međunarodnom zvijezdom glumeći Thomas Edward Lawrencea u čuvenom filmuDavida LeanaLawrence od Arabije. Na valu tog uspjeha, O'Toole je glumio u nizu filmova raznih žanrova, među kojima se ističu:What's New Pussycat? (1965.),How to Steal a Million (1966.),The Bible: In the Beginning (1966.),Casino Royale (1967.),The Lion in Winter (1968.),Goodbye, Mr. Chips (1969.),Murphy's War (1971.),Posljednji kineski car (1987.), iTroja (2004.).
O'Toole drži rekord najvećeg broja nominacija zaOscara za najboljeg glavnog glumca bez da ga je osvojio, što je donekle kompenzirano Oscarom za životno djelo koji mu je dodijeljen godine 2003.
Krajem 1970-ih rjeđe glumi radi zdravstvenih problema uzrokovanih alkoholizmom. Bio je 20 godina u braku s glumicomSiân Phillips s kojom je zajedno nastupio u filmuMurphy's War. Često je glumio i u kazalištu.
