I april 2013 fikk O'Brien rollen som «Thomas» i den dystopiske sci-fi-thrilleren , basert på romanen med samme tittel. Innspillingene begynte i løpet av sommeren 2013 da han hadde fri fra TV-serien. Dette var O'Briens første hovedrolle i en storfilm. , som kom ut i september 2014, ble en suksess og hanket inn hele 340 millioner dollar på verdensbasis, nøyaktig det tidobbelte av budsjettet. Oppfølgeren kom høsten 2015, hvor O'Brien gjentar rollen som Thomas. Tredje filmen i -serien, , kommer ut januar 2018.