Keane, già all'epoca considerato pedina inamovibile, partecipò al campionato del mondo 2002 in Corea del Sud e Giappone indossando la maglia numero 10. L'Irlanda era nel gruppo E con , e . In questo gruppo Keane segnò 2 gol in 3 partite rispettivamente a e . Ai fini del passaggio al turno successivo si rivelò molto importante il gol segnato alla Germania, siglato al novantesimo minuto e l'unico subito dalla compagine tedesca di Rudi Völler fino alla finale persa con il . Agli ottavi di finale l'Irlanda perse contro la dopo i calci di rigore. Nei tempi regolamentari la Spagna fu in vantaggio per 1 a 0 fino al novantesimo quando il pareggio irlandese venne siglato proprio da Keane su calcio di rigore. L'Irlanda non riuscì ad eguagliare i quarti di finale del 1990 ma ottenne comunque un risultato molto buono rispetto agli standard. Keane terminò la competizione da capocannoniere irlandese con 3 reti in 4 partite.