Sonia O'Sullivan (født 28. november 1969) er en tidligere irsk friidrettsutøver (mellom- og langdistanse). O'Sullivan var på 1990-tallet en av de største profilene på 5000 meter med VM-gull i Göteborg som fremste meritt, hun vant også bronsemedalje på distansen i sommer-OL 2000. Hun har også vunnet mesterskap i terrengløp ved en del anledninger. O'Sullivan innehar også verdensrekord på den noe uvanlige distansen 2000 meter.