O’Connell gab sein Debüt für Irland gegen Wales bei den Six Nations 2002 und erzielte dabei einen Versuch. Er gehörte zum Kader der Iren zur Weltmeisterschaft 2003 und bei den Six Nations 2004, wo er im Spiel gegen Frankreich Brian O’Driscoll als Kapitän vertrat. 2005 wurde er für die Tour der British and Irish Lions nominiert und spielte bei allen drei offiziellen Testspielen über die vollen 80 Minuten, abgesehen von einer 10-Minuten-Strafe.