Шон О’Брайен дебютировал за сборную Ирландии 21 ноября 2009 года, выйдя вместо травмированного Дениса Лими в матче против сборной Фиджи, который закончился разгромной победой 41:6. Регбист сумел прочно закрепиться в составе сборной только на Кубке шести наций 2011, в котором провёл все матчи целиком, а в первом c Италией был признан игроком матча. По результатам турнира был номинирован на звание лучшего игрока, но уступил итальянцам Андреа Мази и Фабио Семенцато. Позже в том же году регбист был вызван в состав сборной на чемпионат мира. В тестовых матчах перед турниром Шон О’Брайен открыл счёт своим попыткам за «зелёных» в матче с Францией. На чемпионате мира Шон во всех матчах выходил в стартовом составе, занёс попытку сборной России и был признан игроком матча с Италией. В матче с Россией он чуть не получил травму, когда его ударил головой Валерий Цнобиладзе (за удар он получил дисквалификацию на три недели).