Geboren te New Haven, Connecticut. Tim O'Brien is een Amerikaanse illustrator en kunstenaar die in een realistische stijl werkt. De grootouders van O'Brien van vaderskant kwamen uit Ierland, en zijn grootouders van moederskant uit Norwich, Connecticut, en arriveerden vanuit Quebec in de Verenigde Staten. Zijn grootvader werd conciërge aan de Yale University. O'Brien was de tweede van drie zonen in zijn familie. O'Brien begon met trainen als bokser op de middelbare school en ging vervolgens boksen als middengewichtamateur in de Police Athletic League. Op 18-jarige leeftijd gaf O'Brien het boksen op. Datzelfde jaar ontving hij een Pell Grant die hij gebruikte om zich in te schrijven aan het Paier College of Art in New Haven, Connecticut. Studeerde in 1987 af met een Bachelor of Fine Arts-graad. Tijdens zijn studie aan Paier schilderde O'Brien trompe-l'oeil-afbeeldingen, waarvan bekend was dat zijn instructeurs Davies en Zappalorti dat ook deden, waarbij de kijker van de schilderijen wordt misleid door te denken dat ze een echt object zagen. In een dergelijk geval probeerden studenten stopcontacten te gebruiken die O'Brien op de muur had geschilderd.
Voordat O'Brien in 1987 afstudeerde aan Paier, ging hij een langdurige relatie aan met zijn vertegenwoordiger Peter Lott. Lott had O'Briens werk gezien op de Society of Illustrators Student Show. O'Brien begon zijn carrière als illustrator voornamelijk als boekomslagkunstenaar en werkt nog steeds voor uitgeverijen. Hij heeft omslagen ontworpen voor boeken van onder meer Ray Bradbury, Thomas Hardy en Walter Dean Myers.
O'Brien dankt zijn eerste grote doorbraak aan zijn cover van Time Magazine in 1989, waar hij een kleine traan schilderde over een portret van George Washington van Gilbert Stuart. In 2008 werd O'Brien opnieuw gevraagd om een traan te schilderen op de cover van Time, voor het coverstory The Price Of Greed na het begin van een wereldwijde financiële recessie.
In 1996 ontwierp O'Brien de omslag voor boek #2 The Visitor in de Animorphs-serie van K.A. Applegate.
Tussen 2008 en 2010 kreeg O'Brien van Scholastic Publishing de opdracht om elke omslag van de Hunger Games-trilogie van Suzanne Collins te illustreren, inclusief het Hunger Games-spotgaailogo. De afbeeldingen werden vervolgens opnieuw gebruikt voor promotieposters toen filmdistributeur Lionsgate de boeken omzette in een filmfranchise. O'Brien werkte voor de ontwerpen nauw samen met zijn vrouw, Elizabeth Parisi, creatief directeur van Scholastic.
Op 26 april 2016 sprak O'Brien op uitnodiging van de Wereldorganisatie voor de Intellectuele Eigendom (WIE) bij de Verenigde Naties in New York, waar zijn kunstwerken werden tentoongesteld. Hij besprak commerciële kunst en intellectuele-eigendomsrechten in een digitale wereld en hoe technologie zowel voordelige als verontrustende gevolgen heeft voor zowel de publieke als de private sector.
Hij woont momenteel in Brooklyn, New York, met zijn Elizabeth B. Parisi en hun zoon Cassius.