Im Jahr 2000 spielte sie in Hull ihr erstes Turnier auf dem ITF Women’s Circuit. 2005 konnte sie das Turnier gewinnen. Im Jahr darauf gewann sie das ITF-Turnier in Nottingham und 2009 die Turniere in Sutton und Jersey. 2003 war O’Brien britische Juniorinnenmeisterin im Einzel und im Doppel.
Ihr bestes Abschneiden bei einem Grand-Slam-Turnier war das Erreichen der zweiten Runde 2007 in Wimbledon und 2010 bei den Australian Open. Im Doppel kam sie über die erste Runde in Wimbledon nicht hinaus. Sie nahm 16-mal an Wettbewerben in Wimbledon teil, aber nur viermal bei anderen Grand-Slam-Turnieren.
Ihr letztes Profiturnier hat sie im Juni 2011 in Wimbledon bestritten, als sie in der ersten Runde des Hauptfeldes Kimiko Date-Krumm mit 0:6 und 5:7 unterlag. Seit Juni 2012 wird sie in den Weltranglisten nicht mehr geführt.
Katie O’Brien studiert Betriebswirtschaftslehre an der Open University. Sie hat einen Bruder und eine Schwester.
Zeichenerklärung: S = Turniersieg; F, HF, VF, AF = Einzug ins Finale / Halbfinale / Viertelfinale / Achtelfinale; 1, 2, 3 = Ausscheiden in der 1. / 2. / 3. Hauptrunde; Q1, Q2, Q3 = Ausscheiden in der 1. / 2. / 3. Runde der Qualifikation; n. a. = nicht ausgetragen
