Nascido como Edward Vance Flanagan, filho de vaudevilistas irlandeses que trabalhavam nos Estados Unidos, O'Keefe começou no cinema em pequenas participações, sob o nome Bud Flanagan. Depois de um papel pequeno, mas impressionante em Saratoga (1937), Clark Gable recomendou O'Keefe a Metro-Goldwyn-Mayer, assinando um contrato em 1937, nessa mesma época ele mudou seu nome para Dennis O'Keefe. Seu primeiro papel de destaque foi no filme The Bad Man of Brimstone (1938) com Wallace Beery, e em seguida como Jerry O'Connor em Burn 'Em Up O'Connor (1939).

O'Keefe deixou a MGM por volta de 1940, mas continuou a trabalhar em produções de orçamento em sua maioria inferiores. Apesar de interpretar personagens "durões" em filmes de ação e drama, O'Keefe também era conhecido como um ator cômico. Ele chamou atenção, com um papel vistoso em The Story of Dr. Wassell e tornou-se uma estrela na comédia. Em 1945, como "Mike" Hannegan estrelou ao lado de Vivian Blaine e Carmen Miranda o filme Doll Face, produzido pela 20th Century Fox.

Em meados de 1950, ele apareceu Justice e no The Martha Raye Show pela rede NBC. Em 3 de outubro de 1957, foi o convidado do programa de variedades The Ford Show, estrelado por Tennessee Ernie Ford. Entre 1959-1960, O'Keefe foi convidado pela rede CBS para apresentar seu próprio programa, o sitcom The Dennis O'Keefe Show.
Viciado em cigarros, O'Keefe morreu de câncer de pulmão em 31 de agosto de 1968 com 60 anos

Pais: Edward Flanagan
Filho: James O'Keefe
Cônjuge: Steffi Duna (de 1940 a 1968), Louise Stanley