Engagé par les Bruins de Boston en 1957, la grande chance d'O'Ree est arrivée le 18 janvier 1958, lorsque le joueur ayant marqué 20 buts à trois reprises a été appelé en renfort pour un match contre les Canadiens de Montréal. O'Ree a joué un autre match pour les Bruins avant de retourner au Québec, mais sa performance lui a valu un rappel chez les Bruins le 18 novembre 1960. O'Ree a disputé 43 matchs dans la LNH lors de la saison 1960-61, marquant quatre buts et dix passes décisives tout en subissant les insultes racistes des joueurs et des spectateurs adverses. Ce fut sa dernière saison dans la LNH ; échangé aux Canadiens de Montréal, O'Ree a joué 14 saisons dans les ligues mineures avant de ranger ses patins en 1979.
Il est lauréat du trophée Lester Patrick, l'inspiration pour le Willie O'Ree Community Hero Award et a reçu à la fois l'Ordre du Canada et l'Ordre du Nouveau-Brunswick. L'intronisation d'O'Ree au Temple de la renommée du hockey en 2018 a consacré sa place dans l'histoire du hockey, en reconnaissant les effets durables de sa carrière.
O'Ree était partiellement aveugle. Pendant son passage avec les Canucks de Kitchener, lors de la saison 1955-56, un palet dévié a frappé O'Ree au visage et il a perdu 95% de sa vision à l'œil droit, on lui a dit d'arrêter de jouer. Mais 10 jours plus tard, O'Ree était de retour sur la glace.Il a gardé sa cécité partielle secrète, car cela l'aurait rendu inéligible pour jouer dans la LNH. O'Ree a également été le premier joueur noir à marquer un but dans la LNH. C'était un but gagnant, qui a permis à Boston de battre les Canadiens de Montréal en visite le jour de l'an 1961 sur le score de 3-2, et cela a valu à O'Ree une ovation debout de la foule locale.