Katsuhiro Ōtomo wurde am 14. April 1954 in Tome, Präfektur Miyagi, Japan, geboren. Aufgewachsen in einer ländlichen Gegend, entwickelte er ein tiefes Interesse am Lesen und Zeichnen von Manga und nannte Osamu Tezukas Astro Boy und Mitsuteru Yokoyamas Tetsujin 28-go als frühe Einflüsse. Nach seinem Umzug nach Tokio nach der Highschool begann er seine professionelle Karriere als Mangaka und veröffentlichte 1973 sein erstes Werk, eine Adaption von Prosper Mérimées Mateo Falcone mit dem Titel A Gun Report.

Ōtomo erlangte erstmals Ende der 1970er Jahre als führende Figur der Manga-New-Wave-Bewegung Bekanntheit, teilweise aufgrund seiner unvollendeten Serie Fireball von 1979, die einen kinematografischeren und realistischeren Stil in das Medium einführte. Sein erstes größeres abgeschlossenes Science-Fiction-Werk war Dōmu, das von 1980 bis 1981 serialisiert wurde. Die Geschichte, ein psychologischer Thriller in einem verfallenden Tokioter Wohnkomplex, gewann den Nihon SF Taisho Award und den Seiun Award für den besten Comic und etablierte seinen Ruf für detaillierte Kunstwerke und anspruchsvolle Erzählweise.

Ōtomo ist vor allem als Schöpfer von Akira bekannt, das 1982 in Kodanshas Young Magazine mit der Serialisierung begann und acht Jahre lang lief, insgesamt über 2000 Seiten. Die epische postapokalyptische Erzählung folgt Mitgliedern einer Motorradgang im Neo-Tokio, die in ein geheimes Militärprojekt mit mächtigen psychokinetischen Kindern verwickelt werden. Der Manga war ein wegweisendes Werk, das half, das Potenzial des Mediums für ein internationales Publikum neu zu definieren. 1988 führte er Regie bei der bahnbrechenden animierten Filmadaption seines eigenen Mangas, verdichtete dessen weitläufige Handlung zu einem visuell revolutionären Film, dessen Storyboard er komplett selbst zeichnete. Der Film war ein weltweiter großer Erfolg und trug maßgeblich zur Popularisierung japanischer Anime im Westen bei.

Neben Akira arbeitete Ōtomo konsequent als Originalautor sowohl für Manga als auch Anime. Er schrieb das Drehbuch für den animierten Anthologiefilm Memories von 1995, der auf drei seiner eigenen Manga-Kurzgeschichten basierte. Die Segmente umfassen Magnetic Rose, basierend auf seiner Geschichte Kanojo no Omoide; Stink Bomb, für das er das Drehbuch schrieb; und Cannon Fodder, das er sowohl schrieb als auch inszenierte. Er schrieb auch das Drehbuch für den Film Roujin Z von 1991. 2001 verfasste er das Drehbuch für den Film Metropolis, eine Adaption von Osamu Tezukas gleichnamigem Manga. Ōtomo schuf 2002 die Originalgeschichte und das Bilderbuch Hipira: The Little Vampire, das von Shinji Kimura illustriert wurde. Seine Manga-Kurzgeschichte A Farewell to Weapons, ursprünglich 1981 veröffentlicht, wurde für den Anthologiefilm Short Peace von 2013 in ein Anime-Segment adaptiert, für das er bei anderen Segmenten, darunter Combustible, als Regisseur und Produzent fungierte.

Ōtomos künstlerische Identität ist durch einen hochdetaillierten, realistischen Zeichenstil geprägt, der einen Bruch mit den stärker stilisierten Konventionen früherer Manga darstellte. Er strebte danach, Fantasie mit Realismus zu verbinden und nutzte oft Freunde als Modelle, um naturalistische Charakterdesigns zu erreichen. Seine Arbeit ist bekannt für ihre kinematografische Erzählgeschwindigkeit, komplexe Weltentwicklung und akribische architektonische Hintergründe, wobei die Umgebung oft ein zentrales Element der Handlung ist. Wiederkehrende Themen in seinem Werk sind postapokalyptische Settings, Machtmissbrauch durch militärische und staatliche Institutionen, jugendlicher Widerstand und das gefährliche Potenzial unkontrollierter psychokinetischer oder technologischer Macht. Er nannte den französischen Cartoonisten Moebius als großen Einfluss auf seine künstlerische Entwicklung.

Ōtomos Bedeutung für die Branche ist immens. Er gilt als Pionier, der ein neues Niveau an filmischer Technik und düsterem Realismus in den Manga brachte und Generationen von Künstlern beeinflusste, darunter Naoki Urasawa und Satoshi Kon, der zu Beginn seiner Karriere als Kunstassistent für Ōtomo arbeitete. Seine Regiearbeit am Akira-Film setzte einen neuen Standard für die Animationsproduktion und bleibt ein kultureller Bezugspunkt. Er erhielt zahlreiche Auszeichnungen für seine Beiträge, darunter die Ernennung zum Chevalier und später die Beförderung zum Officier des französischen Ordre des Arts et des Lettres, die Aufnahme in die American Eisner Award Hall of Fame im Jahr 2012 und den Erhalt der japanischen Ehrenmedaille am Purpurband im Jahr 2013. 2015 wurde er der erste Mangaka, der den Grand Prix de la ville d'Angoulême erhielt.