Zak O'Sullivan débute en karting en 2014, remportant le British Super One Rookie Championship.

En 2019, il participe au Ginetta Junior Championship, et termine vice-champion. En 2020, il participe au championnat britannique de Formule 4, qu'il termine également à la deuxième place. En 2021, il remporte le championnat de Formule 3 britannique.

En 2022, il rejoint la Williams Driver Academy et court en Formule 3 FIA, terminant vice-champion en 2023. Cette même année, il participe aux FP1 d'Abou Dhabi pour le compte de Williams.

En 2024, il participe au championnat de Formule 2 avec ART Grand Prix. Malgré deux victoires, faute de budget, il doit laisser son baquet à Luke Browning pour les trois dernières courses de la saison.

En décembre 2024, il teste une Super Formula au Japon et est confirmé pour courir avec Kondo Racing en 2025.