V červenci 1862 O'Sullivan absolvoval vojenskou operaci v severní Virginii. Spolupracoval s Georgem N. Barnardem, Alexandrem Gardnerem a dalšími asistenty slavného fotografa Mathew Bradyho. Díky spolupráci s fotografickým studiem Alexandra Gardnera mohl publikovat sérii čtyřiačtyřiceti fotografií z první občanské války. V červenci 1863 vytvořil svou nejslavnější fotografii "Sklizeň smrti" zobrazující mrtvé vojáky z bitvy u Gettysburgu. V letech 1867 až 1869 působil jako oficiální fotograf pro Geologický průzkum Spojených států pod vedením Clarence Kinga. Expedice začala ve Virginia City v Nevadě, kde fotografoval v dolech a postupoval směrem na východ. Jeho úkolem bylo fotografovat západ tak, aby sem přitáhl nové osadníky.