Al menos 22 personas han sido hospitalizadas y hay 13 estados afectados, indicó la Administración de Alimentos y Medicamentos de Estados Unidos (FDA).
Solo se ha confirmado una muerte, pero dos de las personas afectadas desarrollaron síndrome urémico hemolítico, que puede provocar insuficiencia renal grave.
De 42 pacientes encuestados, todos afirmaron haber comido en McDonald's y 39 dijeron que ingirieron una hamburguesa.
La FDA está "utilizando todas las herramientas disponibles para confirmar si las cebollas son la fuente del brote", dijo en un comunicado.
La cadena de comida rápida dijo que retiró de su oferta "preventivamente" la hamburguesa "Cuarto de libra" en Estados Unidos, y que dejará de abastecerse "indefinidamente" de cebollas con la compañía Taylor Farms, que surtía a unos 900 restaurantes de la marca.
La FDA no ha recibido casos fuera de Estados Unidos.
Ya se han presentado al menos dos denuncias por parte de los afectados, y cada uno reclama en compensación 50.000 dólares, dijo a la AFP el abogado defensor, Ron Simon.
La bacteria "E. coli" causa calambres estomacales, diarrea y vómitos, que generalmente duran de tres a cuatro días. La mayoría de las personas se recupera sin tratamiento, pero algunas pueden desarrollar complicaciones.