En 2007 participó en el equipo irlandés que ganó el Grand Slam sub-20. Fue llamado a la selección absoluta para los test de noviembre de 2009, y jugó su primer partido cuando entró como suplente contra Fiyi en el RDS Arena el 21 de noviembre de 2009. También acudió como suplente contra Sudáfrica en una victoria 15–10 el 28 de noviembre de 2009. Salió del banquillo contra Italia en el Torneo de las Seis Naciones 2010, pero no fue llamado después. Resultó lesionado en los test de verano de 2010, pero logró salir por vez primera como titular en los tests de otoño de 2010, aunque no apareció en ningún otro partido. O'Brien empezó de titular todos los partidos de Irlanda durante el Seis Naciones de 2011, consiguiendo ser hombre del partido contra Italia. Fue tercero en el Seis Naciones de 2011 perdiendo frente al ganador Andrea Masi.