Il se distingue particulièrement lors d'épreuves disputées en salle, remportant notamment trois médailles d'or sur 1 500 mètres lors des Championnats du monde 1987 (à Indianapolis), 1989 (à Budapest), et 1993 (à Toronto). Marcus O'Sullivan participe à quatre Jeux olympiques consécutifs, de 1984 à 1992, sur 800 et 1 500 m, ne se qualifiant qu'une fois pour la finale (8 sur 1 500 m en 1988 à Séoul). Sur le plan continental, il remporte la médaille d'argent des Championnats d'Europe en salle d'Athènes en 1985, et se classe l'année suivante sixième des Championnats d'Europe en plein air de Stuttgart. Le , l'Irlandais établit un nouveau record du monde en salle du 1 500 m en 3 min 35 s 6 lors du meeting de East Rutherford. Il s'est également imposé à cinq reprises lors de la "Wanamaker Mile", épreuve courue sur la distance du Mile lors du meeting new-yorkais des Millrose Games.