Né en 1954 à Miyagi, Katsuhiro Otomo déménage à Tokyo en 1973 après la fin de ses études. Il adapte un roman de Prosper Mérimée Mateo Falcone en une bande dessinée Gun Report et travaille pour le magazine Action où il dessine des histoires courtes. En 1979, Fireball est son premier manga d'envergure, qu'il fera suivre par Domu en 1980. L'écriture de Domu se poursuit jusqu'en 1982 et 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 apocaliptique, le manga d'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 meikyu monogatari, Koji Chushi Meiri (Arrêtez le travail), ainsi que le début et la fin de Robot Carnival. Avec la même équipe, il se lance dans l'adaptation d'Akira en un long métrage, en 1988. Il récidive en 1991 en réalisant un long métrage, Roujin Z, avant de poursuivre sur sa lancée en 1995, avec le film Memories, où il se charge notamment du sketche Cannon fodder.

Après maints déboires, il parvient à finaliser le long métrage Steamboy, qui sort en juillet 2004 et connait une distribution internationale.