Bei den Bahn-Europameisterschaften 2011 der Junioren in Anadia errang Doull drei Medaillen: eine goldene in der Mannschaftsverfolgung gemeinsam mit Jonathan Dibben, Joshua Papworth und Samuel Lowe und eine silberne in der Einerverfolgung sowie Bronze im Omnium. Bei den "Commonwealth Youth Games" belegte er Platz zwei im Straßenrennen und Platz drei im Teamzeitfahren. 2012 wurde er britischer Meister in der Einerverfolgung der Elite, in der Mannschaftsverfolgung sowie Vize-Meister im Punktefahren. Bei den UCI-Bahn-Weltmeisterschaften 2012 in Minsk belegte er Platz fünf im Scratch und Platz elf im Zweier-Mannschaftsfahren gemeinsam mit Simon Yates. 2013 wurde Owain Doull mit Steven Burke, Ed Clancy und Andrew Tennant in Apeldoorn Europameister in der Mannschaftsverfolgung. 2016 wurde Doull für die Teilnahme an den Olympischen Spielen in Rio de Janeiro nominiert und gewann die Goldmedaille in der Mannschaftsverfolgung.