Conan O'Brien nasqué a Brookline, Massachusetts, un suburbi de Boston. És el tercer de sis fills (dues dones i quatre homes) d'una família d'ascendència irlandesa. El seu pare, el Dr. Thomas O'Brien, era un metge d'investigació en l'Hospital Brigham and Women's i professor associat a l'escola mèdica de Harvard, especialitzat en malalties infeccioses. La seva mare, Ruth Reardon O'Brien, era membre de la conselleria jurídica de Boston Ropes & Gray. La seva germana Jane és guionista de comèdies i productora.
Diplomat per la Brookline High School, Conan O'Brien és acceptat a la Universitat Harvard en Història Americana. Durant la seva estada de quatre anys en aquesta prestigiosa escola, va ser redactor per al Harvard Lampoon, la revista humorística del campus. Va ser diplomat de Harvard magna cum laude el 1985 amb un Bachelor of Arts en Història Americana.
També estudià molt sobre la cultura d'Hispanoamèrica. Després realitzà un doctorat en Història de l'Art i un màster a Yale.
El 12 de gener de 2002, O'Brien es va casar amb la publicitària Liza Powell. La missa va ser celebrada a Seattle, a l'Estat de Washington. La parella té dos fill, una noia, Neve, nascuda el 14 d'octubre de 2003 a Nova York i un noi, Beckett, nascut el 9 de novembre de 2005 a Nova York.
Fa d'altra banda un cameo en l'episodi 7 de la primera temporada de la sèrie de la NBC "30 Rock".
Després de la seva graduació de Harvard, O'Brien es va traslladar a Los Angeles. S'ajunta al grup d'escriptors de l'emissió Not Necessarily The News, difosa sobre la xarxa HBO. Va passar dos anys amb aquest equip.
El gener de 1988, el productor de la cèlebre emissió Saturday Night Live el va contractar com a escriptor. Durant els seus tres anys i migs amb SNL, escriu memorables sketxs, com Nude Beach, Mr. Short-Term Memory i The Girl Watchers.
Durant la primavera de 1991, O'Brien va deixar Saturday Night Live per produir i escriure un pilot d'una sèrie de televisió, titulada Lookwell. Tanmateix, la sèrie on destaca Adam West no té l'èxit esperat i va ser retirada de les ones per la NBC el juliol, després de només un episodi.
La tardor següent, O'Brien és escriptor i productor de la truculenta sèrie de la Fox, Els Simpson. De tots els episodis que ha escrit, considera Margina Versus. The Monorail com el seu favorit.[2]
Tanmateix, des de 1997, l'equip de Late Night rep contínuament nominacions als Premi Emmy pels millors guions.
El 27 de setembre de 2004, NBC anunciava que Conan O'Brien reemplaçarà Jay Leno a la direcció del The Tonight Show a partir de 2009.
El 20 de febrer de 2009, O'Brien anima doncs el seu últim Late Night després començà amb el The Tonight Show a partir de l'1 de juny de 2009 a les 23h35. Leno marxava a un nou programa d'entrevistes a la NBC : The Jay Leno Show a les 22h00.
El 10 de gener de 2010, NBC va anunciar la seva intenció de canviar l'horari del The Jay Leno Show per la seva catastròfica audiència, i fer-ne una versió més curta de 30 minuts a les 23h35 i així difondre The Tonight Show a les 00h05.[3]
Conan O'Brien va refusar l'oferta de NBC estimant que el Tonight Show era una emissió emblemàtica als Estats Units des de feia més de 50 anys, i que la seva franja horària no pot ser modificada.[4] Després de diversos dies de negociacions, O'Brien va decidir anar-se’n del Tonight Show el 22 de gener de 2010. Jay Leno va reprendre el seu lloc al Tonight Show l'u de març de 2010, després de la difusió dels Jocs Olímpics d'Hivern de 2010 a la NBC.[5][6]
Conan O'Brien ha intentat animar un nou programa d'entrevistes del mateix gènere que el The Tonight Show en una altra cadena com més aviat millor. Tanmateix, una de les clàusules del contracte de sortida de la NBC estipula que no pot fer altres emissions, ni fins i tot donar entrevistes abans de setembre 2010. La cadena Fox era en aquell moment una de les més interessades per recuperar l'animador.[7]
Atreu de nou l'atenció creant un compte al Twitter des del 24 de febrer de 2010,[8] després anuncia en aquest mateix compte l'11 de març de 2010 un espectacle que passarà per 30 ciutats americanes a partir del 12 d'abril de 2010 titulat «The Legally Prohibited From Being Funny On Television Tour.»[9]
El 12 d'abril de 2010, la cadena TBS anuncia que han tancat un acord amb O'Brien per animar un nou programa d'entrevistes a partir de novembre de 2010.[10]