Kate O'Brien commence sa carrière sportive en 2010 en tant que pilote de bobsleigh avec l'entraîneur Quin Sekulich. En 2011, elle prend part à la Coupe d'Europe de bobsleigh en bob à deux en tant que freineuse pour la pilote Jenny Ciochetti et en bobsleigh à quatre. Après avoir obtenu une onzième place avec ses coéquipières en bob à quatre lors de la Coupe du monde d'Altenberg en , elle obtient finalement une place permanente dans l'équipe nationale de l'entraîneur Tom De La Hunty en 2012. En 2013, elle participe avec Ciochetti au championnat du monde de bobsleigh, qu'elle termine . Par la suite, elle est victime d'une une déchirure aux ischio-jambiers, ce qui l'empêche de se qualifier pour les Jeux Olympiques d'hiver de Sochi. De retour lors de la saison 2014-2015, après avoir remporté la Coupe nord-américaine en novembre, elle obtient son premier podium en Coupe du monde quatre semaines plus tard à Calgary, terminant troisième. Aux mondiaux de bobsleigh 2015 à Winterberg, elle rate de peu une médaille dans la compétition par équipe mixte, terminant quatrième.