Cork City

O'Brien thi đấu cho câu lạc bộ Cork City trước khi chuyển đến câu lạc bộ Crystal Palace tại Giải bóng đá Ngoại hạng Anh theo dạng cho mượn vào tháng 2 năm 2021,[6] và chuyển đến câu lạc bộ vào tháng 8 năm 2021.[7][8][5] Anh ra sân cho đội U-23, bao gồm cả EFL Trophy.[9] Anh chuyển đến Swindon Town theo dạng cho mượn vào tháng 1 năm 2022,[9] ra sân 21 lần.

Cho mượn tại Molenbeek

Vào tháng 8 năm 2022, O'Brien được cho mượn tại câu lạc bộ RWD Molenbeek, cùng với đồng đội Luke Plange.[10] RWD Molenbeek đủ điều kiện tham gia trận play-off thăng hạng Giải bóng đá vô địch quốc gia Bỉ ngay mùa đầu tiên với đội bóng, hơn 1 điểm so với Beveren khi giải chỉ còn 2 trận đấu.[11] O'Brie giành được danh hiệu đầu tiên trong sự nghiệp khi Molenbeek vô địch giải đấu.[12]

Lyon

Vào tháng 8 năm 2023, anh ký hợp đồng với câu lạc bộ Lyon tại Ligue 1,[13] ra mắt cho đội bóng trong trận thua 0-2 trước Reims vào ngày 1 tháng 10 năm 2023.[14] Vì vậy, anh trở thành cầu thủ người Ireland đầu tiên thi đấu tại Ligue 1 kể từ năm 2000.[15]