En 2000, il rejoint les quarts de finale de l'Open du pays de Galles et du championnat du monde, en battant Chris Small au premier tour et Stephen Lee au deuxième tour, avant de s'incliner contre Mark Williams, futur vainqueur du tournoi. O'Brien est arrivé en finale du Masters 2001, en battant Mark Williams, Ken Doherty et Dave Harold, avant de perdre 9-10 face à Paul Hunter, après avoir mené 7–3. C'est pendant cette période qu'il culmine au rang mondial, son meilleur classement. La même saison, il est pour la deuxième fois de sa carrière quart de finaliste au championnat du Royaume-Uni.