Alex O'Loughlin comenzó su carrera siendo un adolescente en el mundo del cortometraje y en el Fringe Theatre de Sydney. Tomó numerosas clases y cursos de interpretación, hasta que finalmente a sus 22 años, fue aceptado en la escuela de teatro australiano del Instituto Nacional de Arte Dramático por donde han pasado actores tan famosos como Mel Gibson y Cate Blanchett. Posteriormente, demostró sus cualidades apareciendo en una amplia variedad de producciones teatrales, con trabajos que van desde las obras maestras de Shakespeare, Chekhov y Tolstoy, hasta el gran y moderno guionista inglés Edward Bond. Se graduó 3 años después con una Licenciatura en Arte Dramático.

O'Loughlin había interpretado numerosos papeles como artista invitado, hasta que hizo su debut en cine en el thriller de ciencia ficción, Manthing, basado en el comic de Marvel. También protagonizó la elogiada comedia australiana Oyster Farmer, dirigida por Anna Reeves, y la polémica película indie, Feed. O'Loughlin co-creó el concepto original de Feed, un thriller que se desenvuelve dentro del mundo de la erótica de la obesidad.

O'Loughlin impresionó al público con su interpretación del personaje "William Bryant" en The Incredible Journey Of Mary Bryant, (una coproducción angloaustraliana para Creentime/Granada) trabajando junto a Sam Neil, Jack Davenport y Romola Garai. Fue una elogiada producción que le supuso a O'Loughlin la nominación a dos de los premios más prestigiosos australianos, uno al AFI como Mejor Actor y otro al LOGIE, en la misma categoría.

O'Loughlin posteriormente se unió al hit de ciencia ficción "The Shield", durante gran parte de la sexta temporada, en la que interpretaba al nuevo líder potencial del equipo de Vic Mackey, "Kevin Hyatt".

Después, protagonizó películas como The Invisible con Marcia Gay Harden y Justin Chatwin, dirigida por David Goyer, y August Rush, junto a Robin Williams, Jonathan Rhys Meyers, Terrence Howard, Keri Russell y Freddie Highmore, bajo la dirección de Kirsten Sheridan.

Más tarde, O'Loughlin lideró la serie de CBS/Warner Bros, "Moonlight", en la que interpretaba el papel de "Mick St. John". No sólo consiguió atraer de inmediato a una devota y profunda legión de fans, sino que aceptó con orgullo el premio The People's Choice Award como Mejor Nuevo Drama.

O'Loughlin ha protagonizado recientemente junto a Kate Beckinsale, Whiteout, de Joel Silver y la serie de médicos para CBS "Three Rivers".

El actor se encuentra activamente metido en la organización benéfica Donate Life, cuya misión es la de concienciar a la gente sobre la importancia de la donación de órganos.