Bekräftelse på att villkoren hade överenskommits med O'Neill följde ett styrelsemöte i Irish Football Association.
Den 42-årige, som nyligen avgick som Shamrock Rovers manager, kommer att inneha rollen för en inledande period på två år, med början den 1 februari 2012.
Han kommer att vara ansvarig för en vänlig mot Norge den 29 februari, följt av spel med Nederländerna och Finland, före VM kval.
Två andra kandidater intervjuades för jobbet, tidigare Ipswich Town och Queens Park Rangers chef Jim Magilton och före detta Hull City, Crystal Palace och Charlton Athletic chef Iain Dowie.
O'Neill vann 33 kaps för Nordirland under sin spelkarriär, gjorde sju mål, och spelade klubbfotboll för Newcastle United, Dundee United och Hibernian.
Han gick in i ledningen som assistent i Cowdenbeath innan han blev chef för skotska sidan Brechin City.
Han blev Shamrock Rovers manager 2008 och guidade klubben till efterföljande Liga of Ireland titlar 2010 och 2011.
Han gjorde historia genom att bli förste manager för ett lag i Irland för att nå gruppstadierna i Europa League efter en play-off seger över Partizan Belgrad.
O'Neill lämnade klubben efter sin sista Europa League match mot Tottneham Hotspur tidigare denna månad.
"Jag är hedrad över att bli vald att förvalta mitt land", säger O'Neill.
"Jag är en stolt nordirländare som hade turen att vinna 33 seniorcaps och det var alltid en ambition att hantera mitt land.
"Att bli anförtrodd rollen tidigt i min chefskarriär är ganska ödmjukt men jag är säker på att vi kan göra framsteg.
"Nordirland har en stark fotbollstradition men en som behöver fräschas upp med lite mer samtida framgång.
"Det är mitt främsta mål - att återställa en känsla av tro och stolthet över vad det innebär att representera Nordirland så att våra spelare bara vill spela för sitt land - det är så det ska vara.
"Det finns en enorm mängd arbete att göra men med rätt riktning och den nödvändiga passionen kan goda framsteg göras.
"Styrelsen och den verkställande direktören har en tydlig plan för framtiden och har gett mig ansvar att ta itu med uppgiften att förnya inom ramen för en långsiktig plan.
"Samtidigt, i alla inblandades intresse, särskilt våra supportrar, är mitt jobb att arbeta med spelarna för att upprätthålla en konkurrenskraftig prestanda under hela kvalificeringsfasen av 2014 års VM-final."
Nordirland har dragits mot Portugal, Ryssland, Azerbajdzjan, Israel och Luxemburg för VM, som börjar i september.
Patrick Nelson, chef för Irish FA, sa att O'Neill var "utmärkelsen valet från ett utmärkt fält".
"Uttagningspanelen var mycket imponerad av hans tankar och planer under de kommande åren."
Nigel Worthington, efter sin sidas dåliga Euro 2012 kvalificeringskampanj i oktober, sade till BBC Sport: "Det svåraste för någon Nordirland manager är bristen på siffror som du har att välja och välja mellan.
"Det enda jag har upplevt är att man måste titta på de ungdomar som kommer igenom eftersom de är framtiden för Nordirlands fotboll."
Tidigare chef för Nordirland, och nuvarande chef för League Two side Barnet, Lawrie Sanchez sade: " För att vara rättvis mot honom [O'Neill], var han förmodligen en utomstående löpare.
"Jim Magilton och Iain Dowie hade tippats tungt för posten av den irländska pressen men IFA har överraskat alla genom att utse Michael att göra jobbet.
"Han är förmodligen den med den senaste framgången på Shamrock Rovers, men det är tidigt i hans karriär att vara en nationell chef och det är en stor fråga."
Michael O'Neill har utsetts till ny chef för Nordirland.