Haar eerste grote succes boekte O'Sullivan op de EK van 1994 in Helsinki, waar zij Europees kampioene werd op de 3000 m. Dat jaar liep ze ook een wereldrecord op de 2000 m van 5.25,36, dat nog altijd op de tabellen staat (peildatum oktober 2020). In 1995 won ze op de WK in Göteborg een gouden medaille op de 5000 m. Met een tijd van 15.06,50 eindigde ze voor de Roemeense Gabriela Szabó (zilver; 15.08,31) en Spaanse Marta Domínguez (brons; 15.10,54). Dat jaar werd zij ook verkozen tot Europees atlete van het jaar.