Mick McCarthy yönetimindeki İrlanda, 2002 FIFA Dünya Kupası'nda mücadele ederken, Keane de kadroda bulunmaktaydı. İrlanda, Almanya, Suudi Arabistan ve Kamerun'lu grupta 5 puan toplayarak, grubu ikinci sırada bitirirken, Keane, 1-1 biten Almanya maçında ve 3-0 galip geldikleri Suudi Arabistan maçlarında birer gol atarak İrlanda ile ikinci tura çıktı. İkinci turda normal süresi 1-1 biten maçta penaltılarla İspanyaya 3-2 yenilerek elenen İrlanda'nın tek golünü de Keane kaydetti. İlk Dünya Kupası tecrübesinde 4 maçta 3 gol atan Keane, turnuvanın dikkat çeken oyuncularından biri oldu.