Er entwickelte den Viertaktmotor.
Der Maschinenbauer und Unternehmer, am 14. Juni 1832 in Holzhausen an der Haide als Sohn eines Landwirtes und Posthalters geboren, absolvierte eine kaufmännische Ausbildung und arbeitete zunächst als Handlungsgehilfe in Frankfurt am Main und in Köln.
1864 gründete Otto gemeinsam mit dem Ingenieur Eugen Langen die "Gasmotorenfabrik Deutz" und entwickelte mit ihm auf der Grundlage des von Lenoir erfundenen Gasmotors die erste nach dem Viertaktverfahren arbeitende Gasverbrennungsmaschine.
Auf der Weltausstellung 1869 in Paris stellten sie ihren atmosphärischen Gasmotor der Öffentlickeit vor und schafften den Durchbruch: Die Prüfungskommission zeichnete sie mit der Goldmedaille aus, da ihr Motor nur ein Drittel des Kraftstoffes der bisherigen Maschinen verbrauchte.
1876 schuf Otto dann mit seinen Viertaktgasmotor mit verdichteter Ladung den Prototyp für den gesamten weiteren Verbrennungsmotorenbau. Die von ihm 1884 entwickelte elektrische Zündung ermöglichte die Verwendung flüssiger Kraftstoffe. Der Erfinder starb am 28. Januar 1891 in Köln.
