Er war Sohn eines Bauern, sein Vater hatte auch die Posthalterei des Ortes.
Er durchlief eine Lehre als Kaufmann und verdiente seinen Lebensunterhalt nach seiner Lehrzeit als Handlungsgehilfe in den Städten Frankfurt am Main und in Köln.
1864 gründete er zusammen mit dem Ingenieur Eugen Langen die "Gasmotorenfabrik Deutz", der heutigen DEUTZ AG. Gemeinsam erfanden sie einen nach dem Viertaktprinzip funktionierenden Gasverbrennungsmotor. Dabei benutzen sie als Grundlage ihrer Erfindung den von Lenoir erstmals entwickelten Gasmotor.
Auf der Pariser Weltausstellung im Jahre 1869 präsentierten sie ihre Version eines Gasmotors zum ersten Mal der Öffentlichkeit. Diese neue Motorenentwicklung benötigte nur ein Drittel des Kraftstoffverbrauchs der bis dahin bekannten Motoren.
Im Jahre 1876 gelang es Otto, einen Viertaktgasmotor mit verdichteter Ladung zu entwickeln. Dieser Motorentyp ist die Grundlage für den Bau von Verbrennungsmotoren bis zum heutigen Tag (deshalb auch immer noch der Name Ottomotor für alle Benzinmotoren mit Fremdzündung und Hubkolbenantrieb).
1884 erfand er die elektrische Zündung für seine Gasmotoren.
Durch diese Neuerung wurde es möglich, auch flüssige Brennstoffe alternativ zum bisher ausschließlich verwendeten Gas zu benutzen.
Weiterhin ist er der Namensgeber für den Otto-Prozess.
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