O'Brien lớn lên ở khu vực Royton gần đó và được giáo dục tại trường Trung học Roman Catholic Memorial Bishop Henshaw ở Rochdale. Ông bắt đầu diễn xuất từ khi còn nhỏ và đã trở thành ngôi sao của một loạt phim truyền hình BBC Gruey khi mới 15 tuổi. Ông cũng góp mặt trong một số bộ phim khác vào thời điểm đó với vai trò cameo hoặc vai phụ. Vào năm 1993, ông đóng vai Craig Lee trong bộ phim Coronation Street và sau đó là vai Lee Jones trong Children's Ward. Cùng năm đó, ông trở thành diễn viên thường xuyên trong bộ phim truyền hình điều tra Cracker, đóng vai Mark, con trai của nhân vật trung tâm Robbie Coltrane. Vào năm 1999, ông xuất hiện lần đầu trên màn ảnh rộng với bộ phim Virtual Sexuality và sau đó hợp tác lại với đạo diễn Cracker Michael Winterbottom trong bộ phim 24 Hour Party People vào năm 2002 và vào năm 2004, trong bộ phim gây tranh cãi 9 Songs, bao gồm cảnh quan hệ tình dục thật giữa O'Brien và nữ chính Margo Stilley. Vai diễn của ông đã mang lại cho ông danh tiếng là diễn viên chính Anh Quốc duy nhất được hiển thị xuất tinh trong một bộ phim nổi tiếng do Anh sản xuất. Kể từ khi quay 9 Songs, O'Brien đã làm thêm hai bộ phim khác với Winterbottom; A Cock and Bull Story và The Look of Love. Các vai diễn truyền hình thường xuyên gần đây bao gồm Holby Blue và The Syndicate.
