Brian Todd O’Leary nasceu em Boston, Massachusetts, a 27 de Janeiro de 1940. A 1 de Dezembro de 1983, O’Leary casou com Delores Marie Lefkowitz, também conhecida como Dee Davenport, em Yarmouth, Massachusetts.
Brian O’Leary graduou-se na Belmont High School em 1957, tendo recebido um diploma de B.A. em física pelo Williams College em 1961, mestrado em astronomia pela Universidade de Georgetown em 1964 e doutorado em astronomia pela Universidade da Califórnia, Berkeley, em 1967.
Durante seus estudos académicos na Universidade da Califórnia, Berkeley, O’Leary publicou vários artigos científicos sobre a atmosfera de Marte e a sua tese de doutoramento em 1967 foi sobre a superfície daquele planeta. Ao terminar seu doutoramento, O’Leary foi escolhido para uma possível missão humana em Marte que a NASA estava planear na época. O’Leary foi o único cientista-astronauta planetário da NASA no Corpo de Astronautas durante o programa Apollo. Em Abril de 1968, O’Leary renunciou ao corpo de astronautas antes de concluir o programa de treino.
Após deixar a NASA, Carl Sagan convidou-o para leccionar na Universidade de Cornell em 1968, onde permaneceu até 1971 como pesquisador associado (1968-1969) e professor assistente (1969-1971) de astronomia. Enquanto estava em Cornell, ele estudou os mascons lunares. Durante o ano académico de 1970-1971, O’Leary foi vice-líder da equipa científica da Mariner 10 como pesquisador visitante no Instituto de Tecnologia da Califórnia. A equipa recebeu o prémio de conquista de grupo da NASA pela sua participação. Mais tarde, leccionou na Universidade Estadual de San Francisco (professor associado de astronomia e ciências interdisciplinares; 1971–1972), na Faculdade de Direito da UC Berkeley (professor visitante associado; 1971–1972), Hampshire College (professor assistente de astronomia e avaliação de políticas científicas; 1972-1975), Universidade de Princeton (equipe de pesquisa e professora de física; 1976-1981) e Universidade Estadual da Califórnia, Long Beach (professora visitante de física; 1986-1987).
Em Princeton, esteve envolvido com Gerard K. O’Neill e nos planos de construção de cidades em órbita da Sociedade L5. Ele sugeriu que os asteróides e as luas de Marte seriam as fontes de recursos mais fáceis de aceder para o fornecimento de colónias espaciais.
Brian O’Leary faleceu a 28 de Julho de 2011.