Laureatosi in ingegneria nel 1980 comincia a lavorare presso la redazione di alcuni giornali a Daytona Beach e Fort Lauderdale (Florida) dedicandosi principalmente alla cronaca nera. Nel 1986 produce un reportage insieme ad altri due giornalisti intervistando i sopravissuti di un disastro aereo. Il loro lavoro viene candidato per il Premio Pulitzer. In seguito a questa esperienza Connelly trova impiego come giornalista criminologo al Los Angeles Times. Aveva deciso di diventare scrittore di thriller già ai tempi dell'università dopo avere scoperto i romanzi di Raymond Chandler; in particolare fu affascinato dal film Il lungo addio di Robert Altman film tratto dall'omonimo romanzo di Raymond Chandler. Da qui, quindi, nasce un'accurata lettura dell'opera letteraria dello scrittore, che vede come protagonista Philip Marlowe, detective di Los Angeles tra gli anni '40 e '50. Da questo momento quindi la decisione di interessarsi sempre più a fatti di cronaca: sfrutta infatti gli anni passati da giornalista per studiare da vicino il lavoro della polizia e lo svilupparsi delle indagini che seguivano i delitti di cui si occupava.

La maggior parte dei suoi libri riguarda le indagini di un detective del Dipartimento di Polizia di Los Angeles, Hieronymus "Harry" Bosch: il suo nome è lo stesso del famoso pittore olandese, di cui la madre del detective era affascinata. Anche a detta dello stesso Connelly, Bosch condivide con l'autore diversi tratti del proprio carattere. Nel succedersi dei numerosi romanzi, il detective Bosch deve spesso combattere anche contro l'ostilità presente all'interno del suo stesso Dipartimento: una volta andato in pensione, lavorerà su diversi casi come detective privato, per poi tornare in Dipartimento per risolvere i cosiddetti cold case ("casi irrisolti" in italiano).

Connelly è particolarmente attento a far emergere l'evoluzione psicologica del suo protagonista, al di là degli stereotipi narrativi del genere hard boiled. Molti dei libri di Connelly sono ambientati a Los Angeles.