À 24 ans, en avril 1948, elle épouse Robert Wyler, 48 ans, frère aîné du réalisateur William Wyler. Cathy O’Donnell apparaît aussi dans Ben-Hur (1959) dans le rôle de Tirzah, la jeune sœur du héros interprété par Charlton Heston.
Cathy O’Donnell meurt des suites d'un cancer à 46 ans, le jour de son 22e anniversaire de mariage avec Wyler.