Im Dezember 2004 gab Owomoyela während eines Freundschaftsspiels
gegen Japan sein Deutschlanddebüt. Er nahm an einer Übergangsphase der Nationalmannschaft teil und war während seiner gesamten internationalen Karriere Mitglied des Kaders des FIFA Konföderationen-Pokals 2005. Auch wenn er kein Stammspieler für Deutschland war, zeigte seine Aufnahme in den Kader sein Talent und das Vertrauen der Nationaltrainer in ihn.
Wegen seines stetigen Spielbetriebs wurde Owomoyela 2005 zu Werder Bremen transferiert, einer der damals besten Mannschaften Deutschlands. Bei Bremen hielt er seine Abwehr und Anpassungsfähigkeit aufrecht. Während seiner Zeit bei Werder Bremen spielte er unter anderem in der UEFA Champions League und anderen europäischen Spitzenwettbewerben im Fußball. Er war ein wichtiger Preis für seine Karriereleistungen und Mitglied der DFB-Pokal-Gewinnermannschaft 2009.
Owomoyela hatte jedoch keine einfache Karriere. Sein Aussehen war begrenzt und seine Form wurde beeinträchtigt, als die Verletzungen zunahmen. Ungeachtet dieser Hindernisse hielten ihn seine Hartnäckigkeit und Willenskraft daran, wieder in Form zu kommen und seiner Truppe zu helfen. Seine Hartnäckigkeit unter diesen schwierigen Umständen zeigte sein Engagement für das Spiel und seine Professionalität.
Owomoyela wechselte 2008 deutlich zu Borussia Dortmund; Das Team hat eine geschichtsträchtige Vergangenheit und glühende Fans. Er war Teil einer Dortmunder Mannschaft, die sich zu einer der leistungsstärksten Mannschaften des deutschen Fußballs entwickelte. Dortmund, unter von Jürgen Klopp, spielte mit einer hohen Intensität, die Owomoyelas körperliche und taktische Qualitäten ergänzte. Er verhalf Dortmund zum Erfolg, wie die aufeinanderfolgenden Bundesliga-Siege in den Saisons 2010–11 und 2011–12 zeigen. Als Teil einer der aufregendsten Epochen Dortmunds waren diese Siege der Höhepunkt seiner Vereinskarriere.