Nato a Canberra il 24 agosto 1976, ma cresciuto a Sydney. Il padre insegna Biologia e la madre è infermiera, ha una sorella più piccola di un anno. All’età di due anni deve affrontare il divorzio dei genitori.
Si è laureato alla National Dramatic Art di Sidney nel 2000, ha un figlio di 12 anni di nome Saxon che vive in Australia con la madre.
Nel 2004 inizia la carriera di attore interpretando Jack Flinge nel film Oyster Farmer che nel medesimo anno viene presentato al Toronto Film Festival. L’anno successivo scrive e co-produce il thriller Feed, nel quale ha anche un ruolo da attore. Sempre nel 2005 interpreta Will Bryant, marito di Mary Bryant nella miniserie per la tv australiana The incredible journey of Mary Bryant. Questo ruolo gli frutta una nomination come “Most Outstanding Actor in a Drama Series” ai Logie Awards e una come “Best Lead Actor in Television” agli AFI.
Nel 2006 con la possibilità di sfondare davvero lascia l’Australia in direzione Hollywood. Ottiene subito alcune piccole parti nei film L’amore non va in vacanza (The Holiday) e Invisible (The Invisible) e subito dopo recita in 7 episodi della premiatissima serie tv The Shield prendendo parte quindi a quasi tutta la 6ª stagione del telefilm. Questo ruolo gli porta fama anche negli States e subito dopo ottiene la parte di Mick St.John, protagonista di una serie tv, Moonlight, fantasy/horror sui vampiri prodotta dal grande produttore cinematografico Joel Silver. La serie, trasmessa dalla CBS, dura però solo 16 episodi, al termine dei quali viene cancellata. Attualmente è impegnato nelle riprese dell’episodio pilota del nuovo medical drama della CBS Three River a Pittsburgh, le riprese sono iniziate il 27 Marzo 2009. Il 20 Maggio a New York la CBS ha annunciato che Three Rivers è una serie da “Prime-Time”. Three Rivers ambientato appunto a Pittsburgh girerà attorno al tema dei trapianti d’organi, visto da tre prospettive: quella del medico, del paziente e del donatore.
Il 2009 lo vede co-protagonista nel film in uscita nel 2010 The Back-Up Plan al fianco di Jennifer Lopez. Attualmente sta girando la prima stagione di Hawaii Five-0, reboot dell’omonima serie andata in onda dal 1968 al 1980 sulla CBS e qui da noi conosciuta con il nome di Hawaii Squadra Cinque Zero. In questa nuova versione, O’Loughlin interpreta il ruolo che fu di Jack Lord, quello del Det. Steve McGarrett.
