בשנת 2001, בגיל 25, זכה או'סאליבן באליפות העולם בסנוקר בפעם הראשונה שלו, לאחר שניצח בשלב גמר את ג'ון היגינס בתוצאה 14–18. את הזכייה באליפות העולם הקדיש לאביו. בעקבות הישג זה, דורג בעונה הבאה במקום השני בעולם. באותה השנה, זכה או'סאליבן בפעם השלישית באליפות בריטניה, לאחר שניצח בגמר את קן דוהרטי בתוצאה 1–10. בעקבות הישגיו בעונת 2001/2002, דורג בעונת 2002/2003 לראשונה במקום הראשון בעולם.
לאחר זכייתו הראשונה באליפות העולם.
באליפות העולם בסנוקר לשנת 2002, ניצח או'סאליבן ברבע הגמר את סטיבן לי בתוצאה 10–13, ועלה לחצי הגמר מול סטיבן הנדרי. בראיון שלפני המשחק התבטא או'סאליבן בצורה מעוררת מחלוקת לגבי הנדרי, כשהוא מתייחס למשחק שנערך ביניהם בשנת 1999. או'סאליבן פתח את היום הראשון של המשחק בצורה טובה, ואף הוביל 5–8, אולם ביום השני למשחק השווה הנדרי את התוצאה ל-12-12 ולבסוף ניצח הנדרי את המשחק בתוצאה 13–17. לאחר שהפסיד, או'סאליבן האשים את הנדרי בחוסר ספורטיביות בהתייחסו למפגש קודם ביניהם, אך לא הסביר באיזו תחרות. הנדרי בחר שלא להגיב להאשמותיו, אולם מספר שחקני סנוקר, בהם סטיב דייוויס, בחרו לבקר את התנהגותו של או'סאליבן כלפיו. בסופו של דבר התנצל או'סאליבן בפני הנדרי על התבטאויותיו.
עונת 2002/2003 הייתה מוצלחת מבחינתו של או'סאליבן, כיוון שהצליח להגיע בשבע טורנירי דירוג לשמינית הגמר. או'סאליבן זכה בעונה זו בטורניר המאסטרס הסקוטי, באליפות אירופה הפתוחה ובטורניר המאסטרס האירי, כשבשני משחקי הגמר של תחרויות המאסטרס ניצח את ג'ון היגינס, ובגמר אליפות אירופה ניצח את סטיבן הנדרי. בעקבות כושרו הטוב, היה או'סאליבן המועמד המוביל לזכייה באליפות העולם באותה שנה, אך הודח בסיבוב הראשון של האליפות, לאחר שהפסיד בתוצאה 6–10 למרקו פו, וזאת על אף שביצע רצף מקסימלי רשמי של 147 נקודות. בעקבות ההפסד ירד או'סאליבן למקום השלישי בדירוג העולמי.
בשנת 2004, ביקש אביו של או'סאליבן משחקן העבר הולשי ריי רירדון, אשר זכה שש פעמים באליפות העולם בסנוקר, לסייע לקריירת הסנוקר של בנו. באותה שנה, בסיועו של רירדון, זכה או'סאליבן בפעם השנייה באליפות העולם, לאחר שגבר בחצי הגמר על סטיבן הנדרי בתוצאה 4–17, הפרש התוצאה הסופית הגבוה ביותר שהיה בחצי גמר אליפות העולם בסנוקר בתקופה המודרנית, ועל גריים דוט הסקוטי בגמר בתוצאה 8–18. או'סאליבן דורג במקום הראשון בעולם בשתי העונות הבאות.
עונת 2004/2005.
בעונה זו זכה או'סאליבן בטורניר המאסטרס ובתחרות ויילס הפתוחה. עם זאת הוא החמיץ את אליפות סין הפתוחה בטענה לבעיות בריאותיות. שחקן הסנוקר אנתוני המילטון ביקר את או'סאליבן על כך, וטען כי על או'סאליבן לקדם את מעמדו של הסנוקר בעולם.
באליפות העולם פגש או'סאליבן ברבע הגמר את פיטר אבדון. בתחילה הוביל או'סאליבן 2–8, אולם בעזרת משחק איטי והגנתי בצורה יוצאת דופן, ניצח אבדון בתוצאה 11–13. רבים ביקרו את צורת המשחק האיטית של אבדון, וטענו כי מטרתה הייתה לפגום בסגנון משחקו המהיר של או'סאליבן. לאחר המשחק טען או'סאליבן כי קיימת סבירות גבוהה שלא יתחרה בעונה הבאה, וייתכן שאף יפרוש מן המשחק. למרות זאת, בספטמבר 2005 הודיע או'סאליבן כי ישחק בעונת 2005/2006 אולם יקדיש חלק מן העונה למשחק הפול האמריקאי הכדור השמיני בארצות הברית, וזאת לאחר שנבחר להתחרות בסבב הפול העולמי. בסופו של דבר התברר כי סבב הפול העולמי התנגש עם אליפות ליגת העל בסנוקר, בה או'סאליבן הגן על תואר האלוף. או'סאליבן ויתר על סבב הפול העולמי והחליט לנסות ולהגן על התואר, ולבסוף ניצח את סטיבן הנדרי בתוצאה 0–6, כשהוא מבצע ארבעה רצפים של מעל 100 נקודות.
עונת 2005/2006.
בעונה זו הגיע או'סאליבן לגמר הגרנד פרי אולם הפסיד לג'ון היגינס בתוצאה 2–9. כמו כן הוא הגיע לגמר טורניר המאסטרס, אולם גם שם הפסיד להיגינס בתוצאה 9–10. בסיבוב הראשון של אליפות בריטניה באותה עונה, במשחקו נגד מארק קינג, שיחק או'סאליבן עם מגבת לחה על ראשו במשך רוב המשחק.
את אליפות העולם באותה העונה פתח או'סאליבן בניצחון 4–10 על דייב הרולד ובניצחון 10–13 בסיבוב השני על ראיין דיי. ברבע הגמר ניצח או'סאליבן את מארק ויליאמס בתוצאה 11–13, ועלה לחצי הגמר מול דוט. תחילה עלה דוט ליתרון, אולם או'סאליבן השווה את התוצאה ל-8-8. בעיות בחוד מקל הסנוקר (באנגלית: tip) שהפריעו לאו'סאליבן במהלך הטורניר, הופיעו שוב במשחק זה. או'סאליבן טען בפני מנהל התחרות כי חוד המקל שלו נפל, והדבר הקנה לו הפסקה של רבע שעה כדי להדביק חוד חדש, אולם מצלמות הטלוויזיה הראו כי או'סאליבן הוריד את החוד בכוונה תחילה. בעקבות תקרית זו היה או'סאליבן נתון לביקורת מצד יריבו למשחק, ומצד שחקנים נוספים, בהם סטיב דייוויס. לאחר חידוש המשחק ניצח או'סאליבן משחקון אחד, לאחר רצף של 124 נקודות, אולם מיד לאחר מכן ניצח דוט שמונה משחקונים ברצף. בהמשך התאושש או'סאליבן וניצח בשלושה משחקונים רצופים, אך לבסוף הפסיד במשחק. לאחר המשחק זרק או'סאליבן את מקל הסנוקר שלו לאחד הילדים בקהל.
החלטתו של או'סאליבן שלא להשתתף בגביע מלטה בעונה זו עלתה לו במקום הראשון בעולם.
עונת 2006/2007.
בעונה זו הגיע או'סאליבן לגמר גביע צפון אירלנד, בו הפסיד בתוצאה 6–9 לדינג ג'ונווי. עם זאת בחצי הגמר ניצח או'סאליבן את דומיניק דייל בתוצאה 0–6 בזמן שיא של 53 דקות בתחרות של הטוב מ-11 משחקונים.
בדצמבר 2006, במשחק רבע הגמר של אליפות בריטניה נגד סטיבן הנדרי, פרש או'סאליבן בצורה מפתיעה במשחקון ה-6, במשחק של הטוב מ-17 משחקונים. במשחק זה או'סאליבן פיגר בתוצאה 1–4, ובמשחקון השישי, לאחר רצף של 24 נקודות, החטיא או'סאליבן כדור אדום. לאחר ההחטאה לחץ או'סאליבן את ידו של הנדרי ואת ידו של שופט המשחק, כנהוג בסיום משחקי סנוקר, ויצא מן האולם, כשהוא מותיר את הנוכחים באירוע המומים. תוצאת המשחק נקבעה כ-1–9 לטובתו של הנדרי, וכמו כן איגוד הסנוקר העולמי הודיע שיספק לצופים כרטיסים חינם למשחקים שהתקיימו למחרת התקרית כפיצוי. ב-31 במאי 2007 קנס איגוד הסנוקר העולמי את או'סאליבן בסכום של 20,800 ליש"ט, וכמו כן הפחית לו 900 נקודות דירוג בעקבות התקרית.
הטורניר הבא בו השתתף או'סאליבן היה טורניר המאסטרס, בו התקבל על ידי הקהל בתגובות מעורבות: חלק מן הקהל עודד אותו וחלק אחר שרק לו בוז. בסיבוב הראשון ניצח או'סאליבן את אלי קרטר בתוצאה 1–6 כשהוא מבצע 2 רצפים של מעל 100 נקודות. עם זאת, או'סאליבן יצר תקרית נוספת כשהחליט שלא להשתתף בריאיון לתקשורת אחרי המשחק, כמקובל בסיום משחקי סנוקר. מספר שחקנים ביקרו את או'סאליבן בעקבות החלטה זו, ביניהם שון מרפי וקן דוהרטי. ב-21 בינואר 2007 פגש או'סאליבן את דינג למשחק הגמר, בו ניצח בתוצאה 3–10. במהלך המשחק אוהד קולני של או'סאליבן פגע בדינג הצעיר, ובתגובה ניסה או'סאליבן לעודד את דינג. האוהד הורחק בסופו של דבר, וסטיב דייוויס ציין לטובה את הרוח הספורטיבית שהפגין או'סאליבן במהלך המשחק.
בהמשך העונה השתתף או'סאליבן בגביע מלטה, בו הפסיד בסיבוב הראשון למייקל הולט בתוצאה 3–5. בתחרות וולש הפתוחה הודיע או'סאליבן כי הוא מבצע שינויים מהותיים בטכניקת המשחק שלו, וזאת מכיוון שהוא לא מרוצה מהביצועים שלו בתקופה האחרונה. בתחרות זו הפסיד או'סאליבן ברבע הגמר לניל רוברטסון בתוצאה 4–5.
בתחרות המאסטרס האירית ניצח או'סאליבן ברבע הגמר את ג'ו סווייל בתוצאה 4–5. במהלך המשחק ביצע או'סאליבן רצף מקסימלי של 147 נקודות, אולם רצף זה לא נספר במניין הרצפים המקסימלים של או'סאליבן, מכיוון שכיסי שולחן הסנוקר עליו שיחקו לא עמדו בתקנות הרשמיות של ארגון הסנוקר העולמי. כמו כן מארגני התחרות הבטיחו מכונית למי שיבצע את הרצף המקסימלי, אולם לא עמדו בהבטחתם. בהמשך התחרות ניצח או'סאליבן את ג'ון היגינס בתוצאה 5–6, ובגמר ניצח את בארי הוקינס בתוצאה 1–9. כך זכה או'סאליבן בתחרות המאסטרס האירית, שהוקדשה בפעם הראשונה לשחקן העבר פול האנטר. גביע התחרות הוענק לאו'סאליבן על ידי אלמנתו של האנטר.
לפני אליפות העולם בעונה זו, בה הוגרל להתחרות בסיבוב הראשון נגד דינג, טען או'סאליבן כי הגרלת המשחקים נקבעה מראש. טענה זו נדחתה על ידי ארגון הסנוקר העולמי, ובסופו של דבר או'סאליבן חזר בו מההאשמה. או'סאליבן ניצח את דינג בתוצאה 2–10, והמשיך לסיבוב השני בו התחרה ברוברטסון. או'סאליבן ניצח את רוברטסון בתוצאה 10–13, והמשיך לרבע הגמר בו הפסיד בתוצאה 1–93 לג'ון היגינס, שבסופו של דבר זכה באליפות העולם.
עונת 2007/2008.
בעונה זו טען או'סאליבן שרופאו ייעץ לו להימנע מנסיעות ארוכות, ולכן הוא בחר שלא להשתתף בטורניר הדירוג הראשון של העונה, השאנגחאי מאסטרס, ובטורניר הפוט בלאק אליו הוזמן.
כששב להתחרות, הגיע או'סאליבן לגמר תחרות הגרנד פרי, בו הפסיד למרקו פו בתוצאה 6–9. כמו כן במהלך גביע צפון אירלנד קבע או'סאליבן שיא, כשביצע חמישה רצפים של מעל 100 נקודות, כולל רצף מקסימלי של 147 נקודות, הרצף השביעי הרשמי בקריירה שלו, בניצחון 2–5 על אלי קרטר. עם זאת, או'סאליבן הודח בסיבוב הבא כשהפסיד לפרגל או'בריאן.
ב-3 בדצמבר 2007 זכה או'סאליבן בפעם הרביעית ברציפות, והשביעית בסך הכול, בליגת העל בסנוקר, כשהוא מנצח בגמר את ג'ון היגינס בתוצאה 4–7.