V draftu NHL 2009 byl vybrán jako 33. celkově týmem Colorado Avalanche a překvapivě za Avalanche nastoupil už v prvním zápase sezóny 2009-10 a stal se nejmladším hokejistou, který kdy za Colorado nastoupil. 1. dubna 2009 si v zápase proti San Jose Sharks připsal svůj první kanadský bod v NHL a první gól vstřelil 15. října 2009 brankáři Carey Priceovi z Montrealu Canadiens. 19. října 2009 vedení Avalanche oznámilo, že O'Reilly a jeho spoluhráč Matt Duchene zůstanou v NHL po celou sezónu a nebudou posláni na farmu. V říjnu vedl kanadské bodování nováčků, později se ale v žebříčku propadl. O'Reilly se postupem času projevil jako defenzivní útočník a vedl týmový žebříček nejvytíženějších hráčů v oslabení. 2. února 2010 vstřelil proti Columbusu Blue Jackets v jednom zápase dva góly v oslabení, což se mu povedlo jako prvnímu hráči v klubové historii. Svou nováčkovskou sezónu dokončil s 26 body na kontě, kterých dosáhl v 81 zápasech. Stejný počet bodů získal i v následující sezóně.