Pave Frans utnevnte O'Connell til titulærbiskop av og hjelpebiskop av erkebispedømmet Los Angeles 21. juli 2015. Han ble bispeviet av erkebiskop José Horacio Gómez den 8. september 2015, medkonsekrerende var erkebiskop Blase Joseph Cupich av Chicago og biskop Joseph Martin Sartoris, emeritert hjelpebiskop i Los Angeles. O'Connell var en av tre samtidig utnevnte hjelpebiskoper til Los Angeles som ble ordinert i seremonien; de andre var Robert Barron og Joseph V. Brennan.