Né en 1954 à Miyagi, une préfecture rurale du Japon, Katsuhiro Otomo déménage à Tokyo dans le but de devenir dessinateur en 1973, après la fin de ses études. Sa première oeuvre marquante est l'adaptation du roman de Prosper Mérimée : Mateo Falcone en une bande dessinée pour le magazine Action où il dessine des histoires courtes.

En 1979, Fireball est son premier manga d'envergure, l'année suivante, il ecrit Domu dont l'écriture se poursuit jusqu'en 1982 et qui connait un immense succès. La bande dessinée remporte même le grand prix de Science Fiction, jusqu'alors reservé à des romans. En 1982, il commence à publier l'oeuvre qui le fera découvrir au monde entier, Akira. Histoire fleuve de science fiction dans une ville de Tokyo apocalyptique, le manga Akira occupe son auteur pendant une décennie.

Devenu un célèbre mangaka, Otomo a d'autres talents et s'essaye à la réalisation d'anime. En 1987, il signe l'un des trois sketches de Manie Manie , ainsi que le début et la fin de Robot Carnival . Avec la même équipe, il se lance dans l'adaptation d'Akira en long métrage, en 1988. Le manga rencontre un énorme succès dans le monde et devient culte pour nombre de fans. Il permet également de faire connaitre ce style alors méconnu.

En 1991, il collabore au long métrage Roujin Z, il sera l'auteur, le meca et chara-designer du film. Il poursuit sur sa lancée en 1995, avec le film Memories , où il se charge notamment du sketch Cannon fodder et supervise l'ensemble de l'oeuvre. Il aidera par la suite son ami Satoshi Kon pour qu'il puisse réaliser son premier film Perfect Blue sorti en février 1998. Par la suite, il participe au film Spriggan sorti en 1998. Il scénarise le l'adaptation du manga de Osamu Tezuka Metropolis réalisé par Rintaro.

Parallèlement à ses participations à divers projets, il travaille plus de 8 ans sur le long métrage d‘animation Steamboy . Un film aux moyens colossaux mêlant 2D et 3D où l'on retrouve le thème de prédilection d'Otomo : la science. Cependant le dessin-animé moins violent et davantage optimiste s'adresse à un public plus large que ses précédentes réalisations.