ฌีรูเล่นฟุตบอลตั้งแต่ปี ค.ศ. 1994 ให้กับชุดเยาวชนของฟรอฌและเกรอนอบล์ แล้วได้เล่นแบบนักฟุตบอลอาชีพในปี ค.ศ. 2005 กับอิสทร์และตูร์ สโมสรฟุตบอลในประเทศฝรั่งเศส และในปี ค.ศ. 2010 ฌีรูได้ย้ายไปเล่นให้กับมงเปอลีเย สโมสรฟุตบอลชื่อดังจากเมืองมงเปอลีเย ในลีกเอิง โดยฌีรูถนัดในการเล่นบอลเร็ว สามารถชนหรือหนีกองหลังของทีมต่าง ๆ ได้ และด้วยความที่เป็นคนตัวสูง ฌีรูจึงมักจะทำประตูได้ทั้งการโหม่งและการยิง ในปี ค.ศ. 2011 ฌีรูได้ถูกยืมตัวไปตูร์ อดีตสโมสรที่ตนเคยเล่นให้ และเมื่อจบฤดูกาล 2011–12 ฌีรูได้กับมาอยู่มงเปอลีเยอีกครั้ง และอาร์แซน แวงแกร์ ผู้จัดการทีมชาวฝรั่งเศสของอาร์เซนอล สโมสรฟุตบอลชื่อดังจากพรีเมียร์ลีกในอังกฤษได้สนใจในตัวเขา เพราะฌีรูเล่นในตำแหน่งที่แวงแกร์ต้องการปรับปรุงและแก้ไขจุดอ่อนเฉพาะของทีม และเป็นการเลือกกองหน้าที่มาเล่นแทนให้กับโรบิน ฟัน แปร์ซี ที่กำลังย้ายออกไปจากสโมสร และเมื่อแวงแกร์และคณะกรรมการบริหารของอาร์เซนอลได้ตกลงสัญญาของฌีรูกับบอร์ดบริหารของมงเปอลีเยแล้ว ฌีรูก็ได้ย้ายมาอยู่กับอาร์เซนอลอย่างเป็นทางการด้วยค่าตัว 12 ล้านปอนด์ สวมเสื้อหมายเลข 12

ในฤดูกาล 2014–15 ในนัดที่ 18 ของฤดูกาลซึ่งตรงกับวันเปิดกล่องของขวัญ ซึ่งถือว่าเป็นช่วงที่สำคัญที่อาร์เซนอลพบกับควีนส์พาร์กเรนเจอส์ แม้อาร์เซนอลจะเป็นฝ่ายชนะไปได้ 2-1 แต่ฌีรูเป็นฝ่ายถูกใบแดงไล่ออกจากสนามในนาทีที่ 53 หลังจากไปโขกศีรษะใส่เนดุม โอนูโอฮา ผู้เล่นของควีนส์พาร์กเรนเจอส์ หลังจากถูกกระแทกข้างหลังใส่ แม้แต่อาร์แซน แวงแกร์ ผู้จัดการทีมอาร์เซนอลก็ยังเห็นชอบด้วยกับใบแดงนี้[4]

แต่หลังจากขึ้นปี ค.ศ. 2015 แล้ว ฌีรูสามารถทำประตูได้อย่างต่อเนื่อง ทำให้อาร์เซนอลชนะติดต่อกันมากถึง 8 นัด ทำสถิติเป็นทีมที่ชนะเลิศติดต่อมากที่สุดในฤดูกาลนี้ของพรีเมียร์ลีก แต่ในช่วง 4 นัดก่อนปิดฤดูกาล ฌีรูกลับไม่สามารถทำประตูได้เลย แต่ในเอฟเอคัพรอบชิงชนะเลิศ ซึ่งอาร์เซนอลเป็นแชมป์เก่า ฌีรูลงเล่นในฐานะตัวสำรอง เมื่อถูกเปลี่ยนตัวลงมาแทนที่ทีโอ วอลคอตต์ ในช่วง 10 นาทีก่อนหมดเวลา และเป็นผู้ยิงประตูปิดท้ายการแข่งขันไปได้ในช่วงทดเวลาพิเศษนาทีสุดท้าย ทำให้ อาร์เซนอลเอาชนะแอสตันวิลลาไปได้มากถึง 4-0 และทำสถิติเป็นแชมป์รายการนี้มากที่สุดถึง 12 สมัยอีกด้วย[5]

ในยูฟ่าแชมเปียนส์ลีก ฤดูกาล 2015–16 รอบแบ่งกลุ่ม อาร์เซนอลอยู่ในกลุ่มเอฟ และมีสถานการณ์บีบบังคับให้ต้องชนะบาเยิร์นมิวนิกให้ได้ที่สนามเอมิเรตส์ เนื่องจากอาร์เซนอลก่อนหน้านั้นแพ้มาแล้ว 2 นัด ยังไม่มีคะแนนเลย ขณะที่บาเยิร์นมิวนิกตั้งแต่เปิดฤดูกาลมายังไม่เคยแพ้ใคร ซ้ำยังเป็นผู้ชนะติดต่อกันรวด 12 นัดในทุกรายการ และผู้เล่นทุกคนเล่นได้อย่างโดดเด่นมาก โดยเฉพาะรอแบร์ต แลวันดอฟสกี กองหน้าของทีมที่ยิงในบุนเดิสลีกาได้ถึง 5 ลูกก่อนหน้านั้น แต่ในครั้งนี้ ฌีรูซึ่งถูกส่งลงสนามในฐานะตัวสำรองแทนที่ทีโอ วอลคอตต์ ในนาทีที่ 74 สามารถยิงประตูได้ในนาทีที่ 77 จบการแข่งขันอาร์เซนอลชนะบาเยิร์นมิวนิกไป 2-0 ทำให้ยังมีโอกาสพลิกสถานการณ์เข้ารอบต่อไป และทำให้บาเยิร์นมิวนิกแพ้เป็นนัดแรกของฤดูกาลอีกด้วย[6]

และในนัดสุดท้าย อาร์เซนอลอยู่ในสถานการณ์ที่ต้องเอาชนะโอลิมเปียกอส ให้ได้ 0-2 จึงจะเข้ารอบ ด้วยการเป็นฝ่ายบุกไปเยือนที่กรุงเอเธนส์ ฌีรูสามารถยิงแฮตทริกได้ในนัดนี้ (ลูกที่ 3 เป็นจุดโทษ) นับเป็นผู้เล่นของอาร์เซนอลคนที่ 4 ที่สามารถยิงแฮตทริกได้ในยูฟ่าแชมเปียนลีก นับตั้งแต่รายการนี้เปลี่ยนชื่อมาอย่างในปัจจุบัน ต่อจากตีแยรี อ็องรี, นีแกลส เปนต์เนอร์ และแดนนี เวลเบก[7]

ในระดับพรีเมียร์ลีกฤดูกาล 2015–16 ณีรูถูกวิจารณ์อย่างหนักรวมถึงมีเสียงโห่จากผู้ชมที่สนับสนุนอาร์เซนอล เนื่องจากยิงไม่ได้ติดต่อกันนานถึง 15 นัด ทำให้อาร์เซนอลที่มีโอกาสลุ้นแชมป์เป็นครั้งแรกในรอบหลายปีต้องพลาดโอกาสไปอย่างน่าเสียดาย แต่ทว่าในนัดสุดท้ายที่พบกับแอสตันวิลลา ณีรูสามารถทำแฮตทริกได้ ช่วยให้อาร์เซนอลพลิกสถานการณ์ มีคะแนนแซงหน้าทอตนัมฮอตสเปอร์ สโมสรคู่ปรับตลาดกาลไปได้ด้วยการเป็นรองแชมป์[8] และในระดับทีมชาติก็ยิงประตูได้ถึง 2 ลูก ในนัดอุ่นเครื่องที่ฝรั่งเศสพบสกอตแลนด์[9] ก่อนจะถึงรายการฟุตบอลชิงแชมป์แห่งชาติยุโรป 2016 ซึ่งฝรั่งเศสเป็นเจ้าภาพ และในนัดเปิดสนามที่ฝรั่งเศสลงแข่งขันพบกับโรมาเนียเป็นคู่แรก ณีรูก็เป็นผู้โหม่งทำประตูให้ฝรั่งเศสทำออกไปก่อน 1-0 ด้วย[10] ในรอบ 8 ทีมสุดท้าย ณีรูยิง 2 ประตูให้กับฝรั่งเศสในนัดที่พบกับไอซ์แลนด์ และได้รับเลือกให้เป็นผู้เล่นยอดเยี่ยมแห่งนัดอีกด้วย[11]

ในฤดูกาล 2016–17 ณีรูได้ถูกปรับไปเป็นผู้เล่นสำรอง เนื่องจากอาร์แซน แวงแกร์ ผู้จัดการทีมและหัวหน้าผู้ฝึกสอนให้ได้อาเลกซิส ซานเชซ เปลี่ยนไปเป็นกองหน้าแทน แต่หลายนัดฌีรูก็สามารถยิงประตูสำคัญให้อาร์เซนอลได้ เช่น ในนัดที่ 12 ที่พบกับแมนเชสเตอร์ยูไนเต็ด ที่สนามโอลด์แทรฟฟอร์ด ก็เป็นผู้ยิงประตูตีเสมอให้อาร์เซนอลในช่วงท้ายการแข่งขัน ทำให้ผลการแข่งขันออกมาเสมอกัน 1–1, ในนัดที่ 19 ก็ยิงด้วยลูกไขว้ขาหลังเหมือนหางแมงป่องอย่างสวยงาม ในนัดที่อาร์เซนอลเอาชนะคริสตัลพาเลซไปได้ 2–0[12] และในนัดถัดมาอีกเพียงไม่กี่วัน ฌีรูก็เป็นผู้โหม่งประตูตีเสมอให้กับอาร์เซนอลในช่วงนาทีที่ 2 ของการทดเวลาเจ็บของครึ่งหลัง ในนัดที่บุกไปเยือนบอร์นมัท ที่สนามดีนคอร์ต ผลการแข่งขันจึงออกมาเสมอกัน 3–3 ทั้งที่บอร์นมัทขึ้นนำไปก่อนถึง 0–3 และฌีรูยังมีส่วนร่วมด้วยในทั้ง 3 ประตูของอาร์เซนอล จึงได้รับเลือกให้เป็นผู้เล่นยอดเยี่ยมแห่งนัดด้วย[13]

ต่อมาในเดือนตุลาคม ค.ศ. 2017 ลูกยิงหางแมงป่องของฌีรูที่ยิงใส่คริสตัลพาเลซได้นั้น ได้รับเลือกให้เป็นลูกยิงยอดเยี่ยมของปี จากสหพันธ์ฟุตบอลนานาชาติ (ฟีฟ่า) ฌีรูจึงได้รับรางวัลปุชกาช[14]

ในฤดูกาล 2017–18 ฌีรูได้กลายเป็นผู้เล่นสำรอง หลังการย้ายเข้ามาของอาแล็กซ็องดร์ ลากาแซ็ต ทำให้ต่อมาในต้นปี ค.ศ. 2018 จึงได้ย้ายไปสู่เชลซี ในพรีเมียร์ลีกด้วยกัน โดยย้ายมาแทนที่มิตชี บาตชัวอายี ที่ย้ายไปแบบยืมตัวให้กับโบรุสซีอาดอร์ทมุนท์ ด้วยค่าตัว 18 ล้านปอนด์ (ประมาณ 800 ล้านบาท) และสัญญา 18 เดือน รวมระยะเวลาที่ณีรูเล่นให้กับอาร์เซนอล 6 ปี ทั้งสิ้น 253 นัดทุกรายการ และทำประตูไปทั้งหมด 105 ประตู[15]

นอกจากนี้แล้ว ออวีลีเย ฌีรู ยังได้รับการเลือกจากผู้หญิงชาวอเมริกันจำนวน 250 คน ในช่วงต้นปี ค.ศ. 2015 ว่าเป็นนักฟุตบอลระดับพรีเมียร์ลีกที่มีหน้าตาดีที่สุด รวมถึงเมื่อปี ค.ศ. 2012 ก็ยังได้รับการโหวตให้เป็นนักฟุตบอลขวัญใจผู้ซึ่งเป็นเกย์อีกด้วย[16] [17]