W 1867 dołączył do wyprawy badawczej Geological Exploration of the Fortieth Parallel kierowanej przez Clarence’a Kinga. Wyprawa badała i dokumentowała okolice położone w pobliżu 40 równoleżnika, a więc tereny wzdłuż linii kolejowych Union i Central Pacific Railroads oraz okolice Gór Skalistych i Sierra Nevada, a więc tereny trudno dostępne i niebezpieczne. Większość jej członków zachorowała na malarię. Przez pierwszy sezon O’Sullivan działał na terenie Nevady, fotografując m.in. jezioro Pyramid. Zimę spędzili w Virginia City i Carson City. W 1868 O’Sullivan kontynuował prace w Nevadzie, dokumentując również Mono Lake w Kalifornii, wodospad Shoshone Falls na rzece Snake w stanie Idaho. Na wiosnę 1869 rozpoczął trzeci sezon współpracy z Kingiem, podczas którego wykonał zdjęcia okolic Salt Lake City, północnego Utah i południowego Wyoming.
W 1870 przez sześć miesięcy wykonywał zdjęcia Panamy dla Darien Expedition. W tym samym roku został członkiem innej wyprawy, tym razem wojskowej, dowodzonej przez porucznika George’a Wheelera, której celem było zbadanie południowo-zachodniej części USA. Również ta ekspedycja – a zwłaszcza podróż wzdłuż Kolorado do Kanionu Kolorado – była trudna i wymagająca.