Casey Cameron O'Neill naît le à Irvine dans l'Ayrshire écossais. Elle passe les premières années de sa vie à Kilmarnock, avant d'emménager à Gold Coast en Australie, à l'âge de 8 ans.
Elle s'initie au kick-boxing à l'âge de 4 ans avec son père, Cam, ancien kick-boxeur devenu promoteur de MMA, et prend part à des compétitions au sein de l'IAKSA (International Amateur Karate-Kickboxing Sport Association). Adolescente, O'Neill se forme à d'autres arts martiaux tel que le jiu-jitsu brésilien, et dispute son premier combat amateur en MMA à l'âge de 15 ans,.
Carrière dans les arts martiaux mixtes
Débuts (2019-2020)
Casey O'Neill fait ses débuts professionnels au sein de la fédération australienne Eternal MMA, fondée et dirigée par son père. Après cinq victoires remportées sur le circuit amateur, elle dispute et gagne son premier combat professionnel le face à la Bosnienne Amira Hafizović pour le titre des poids pailles, alors vacant.
Le , elle défend son titre avec succès face à sa compatriote Jada Ketley, qu'elle soumet au 2e round.
En , alors qu'elle doit défendre son titre contre Miki Motono(en), Casey O'Neill se présente avec 200 grammes de plus que la limite de poids autorisée lors de la pesée d'avant-combat et le titre lui est donc retiré. Le , elle vainc la Japonaise via décision unanime.
Le , O'Neill vainc Caitlin McEwen lors de ses débuts dans la catégorie des poids mouches.
Le , lors de son unique combat dans la fédération émiratie UAE Warriors, Casey O'Neill vient à bout de la Grecque Christina Stelliou par KO au 2e round.
Parcours au sein de l'Ultimate Fighting Championship (2021-)
Le , elle bat la Brésilienne Lara Procópio(en) par soumission technique, après l'avoir étranglée jusqu'à l'inconscience.
Le , elle bat la Péruviano-kirghize Antonina Shevchenko(en) par KO technique au 2e round, et décroche son premier bonus de Performance de la soirée.
Ces trois victoires, toutes obtenues avant la fin du temps réglementaire, lui vaut d'être nommée «Rookie de l'année 2021», sans distinction de sexe, par le site spécialisé MMA Fighting(en).
Le , lors de l'UFC 271, elle vainc l'Américaine Roxanne Modafferi(en) via décision partagée.
Le , lors de l'UFC 286, Casey O'Neill s'incline face à la Brésilienne Jennifer Maia(en) via décision unanime, et connait ainsi sa première défaite.
Le , lors de l'UFC 296, O'Neill perd contre la Brésilienne Ariane Lipski(en) qui la soumet avec une clé de bras au 2e round.
Le , lors de l'UFC 305 en Australie, elle vainc la Brésilienne Luana Santos via décision unanime.
Australie
Écosse
