Родилась в Нью-Джерси младшей из одиннадцати деток в семье судьи Томаса Фрэнсиса Патрика Нунан и его супруги, певицы Метрополитен-опера, Ханны Келли. После погибели отца она с 2-мя сёстрами переехала в Голливуд, где в 1926 году стартовала её карьера в кино с роли в короткометражке Лорела и Харди. В 1928 году О’Дэй была включена в перечень «WAMPAS Baby Stars», как одна из более многообещающих начинающих звёзд. Её карьера в кино продлилась недолго, и в 1935 году после семнадцати ролей, она ушла из шоу-бизнеса.
Следующие годы О’Дэй занималась воспитанием собственных четырёх деток от брака с актёром Джеком Дюрантом. В 1960 году актриса была удостоена именной звезды на Голливудской аллее славы. Молли О’Дэй скончалась в возрасте 87 лет в Калифорнии в октябре 1998 года.
