Cathy O’Donnell (Eigentlich: Ann Steely) (* 6. Juli 1923 in Siluria, Alabama; † 11. April 1970 in Los Angeles) war eine US-amerikanische Filmschauspielerin. Nach dem Besuch der High School und des Colleges in Oklahoma City arbeitete O'Donnell, die zu diesem Zeitpunkt noch Ann Steely hieß, als Stenographin, um sich so den Umzug nach Hollywood zu finanzieren, wo sie von Filmproduzent Samuel Goldwyn unter Vertrag genommen wurde. Dieser erkannte das Potenzial der jungen Frau, ermöglichte ihr eine Ausbildung an der American Academy of Dramatic Arts, und gab ihr ihren irisch klingenden Künstlernamen - Cathy O'Donnell. 1945 - im Alter von 22 Jahren - erfolgte O'Donnells Filmdebüt im Drama Der Wundermann, unter der Regie von H. Bruce Humberstone. Das abrupte Ende ihrer Arbeit mit Goldwyn erfolgte am 11. April 1946, als sie im Alter von 23 Jahren den um 25 Jahre älteren Regisseur Robert Wyler heiratete. Dieser jedoch war Konkurrent von Goldwyn, wenn es darum ging, Filmprojekte zu bekommen. Goldwyn kündigte O'Donnells Vertrag.

Die meisten Filme der 1950er Jahre, in denen O'Donnell mitwirkte, erfolgten nun in Zusammenarbeit mit ihrem Ehemann. Häufig verkörperte sie das naive junge Mädchen von Nebenan; so unter anderem der 1951 produzierte Kriminalfilm Polizeirevier 21, mit Kirk Douglas als Filmpartner. Die Regie übernahm ihr Schwager, William Wyler. Ebenso spielte sie an der Seite von James Stewart in dem Western Der Mann aus Laramie unter der Regie von Anthony Mann (1955). Unter Mann hatte sie bereits 1950 in Side Street gespielt.

Ihr letzter Spielfilm war der ebenfalls von William Wyler inszenierte Monumentalfilm Ben Hur von 1959. Zuletzt trat die Schauspielerin 1964 in einer Folge der Serie Bonanza auf.