El Dr. O'Donnell es profesor asistente en el Centro de Estudios Infantiles de Yale y en el Departamento de Obstetricia, Ginecología y Ciencias de la Reproducción de la Facultad de Medicina de Yale, donde dirige el Grupo de Investigación de Salud-Omics y Epidemiología Perinatal (HOPE).

La investigación del Dr. O'Donnell se centra en la salud mental perinatal materna y los orígenes del desarrollo de la salud mental. Su grupo integra datos genómicos y epigenómicos con medidas de riesgo psicosocial para 1) comprender mejor las diferencias individuales en la salud mental perinatal materna y 2) identificar los procesos moleculares que subyacen a la influencia persistente del entorno prenatal en el neurodesarrollo de niños/adolescentes.