Ondrej Pavelec odahaza Kladnóban kezdett jégkorongozni, ahol végigjárta a korosztályos csapatokat. 2005-ben került a tengerentúlra, amikor az Atlanta draftolta a második körben. A névjegyét hamar letette, a 2005/06-os szezonban a QMJHL-ben (Quebec Major Junior Hockey League) az év újonca lett, és beszavazták a CHL kezdő hatosába, ahol olyan játékosok voltak vele együtt, mint Drew Doughty, Claude Giroux és John Tavares. 2007-ben mutatkozott be a Thrashersben, de ekkor még nagyrészt az AHL-ben védett, a Chicago Wolves csapatában, amellyel 2008-ban bajnoki címet szerzett. Amikor az Atlanta 2011-ben Winnipegbe költözött, akkor sem hagyta el a csapatot, összesen tíz évig maradt a franchise kötelékében, majd 2017 nyarán a New York Rangersbe igazolt. Szerződése csak egy évre szólt, és miután idén nem talált magának csapatot, teljesen váratlanul a visszavonulás mellett döntött.

Az NHL-ben 398 mérkőzésen lépett jégre, 156-ot megnyert, 167 találkozót elvesztett, és játszott 48 döntetlent. A cseh válogatott tagjaként 2010-ben aranyérmet nyert a világbajnokságon, majd egy évvel később bronzérmes lett.