James O'Donnell est né dans le comté de Wexford, en Irlande, en 1774. Il étudie l'architecture dans plusieurs villes européennes, notamment à Dublin à titre d'apprenti, probablement auprès de l'architecte Francis Johnston. En 1812, il quitte l'Europe et s'établit à New York. Pendant près de douze ans, il réalise plusieurs bâtiments de renom dans cette ville, tels que le Bloomingdale Asylum (1818-1821), le Fulton Street Market (1821-1822) et la Christ Church (1822-1823). En septembre 1823, les marguilliers de la paroisse Notre-Dame de Montréal invitent O'Donnell à construire une nouvelle église et acceptent son projet le 17 octobre. De style néo-gothique, cette nouvelle construction devait devenir l'un des plus grands bâtiments en Amérique du Nord. Pour superviser le chantier, O'Donnell s'installe à Montréal en mai 1824. Le projet est réalisé en plus de cinq ans, à l'exception des tours frontales, terminées en 1841. La nouvelle église, la basilique Notre-Dame de Montréal, est inaugurée le 15 juillet 1829. Outre la basilique Notre-Dame de Montréal, O'Donnell réalise, en 1824, les plans d'un nouveau temple pour la congrégation American Presbyterian et, en 1826, de la Société d'école anglaise et canadienne de Montréal. O'Donnell a inspiré plusieurs architectes et ainsi laissé sa marque sur le patrimoine religieux du Québec. À titre d'exemple, l'architecture de l'église de Saint-Laurent (1835-1837), conçue par François-Xavier Lapointe, s'apparente à la basilique Notre-Dame de Montréal. Il est décédé à Montréal le 28 janvier 1830.
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