Il est né en 1951 à Tokyo. Il suit des études de cinéma qu'il termine en 1975, date à laquelle il commence sa carrière professionnelle au sein de la Tatsunoko, une maison de production d'anime. Il participe entre autres à la deuxième série de Gatchaman. Il entre ensuite aux Studios Pierrot en 1980 pour travailler sur diverses séries dont Nils Holgersson et Urusei Yatsura.

Il acquiert sa notoriété en réalisant les deux premiers films d'Urusei Yatsura, Only You et surtout Beautiful Dreamer qui possèdent les premiers élèments qui caractérisent son talent. Le deuxième film est imprégné de burlesque, des situations absurdes, des désordres et des délires propres à la série mais les dernières minutes tranchent de façon impressionnante. Ce n'est pas une question de technique, identique de bout en bout mais d'atmosphère. Oshii transforme effectivement le petit monde de Lum en un rêve hors du commun.

Oshii touche à différents styles durant toute sa carrière. Il réalise par exemple, Tenshi no Tamago, un anime très artistique mais se charge aussi des OAVs très commerciales de Pat Labor. Il a aussi fait quelques expériences de mangaka dans le magazine Animage.

En 1989, c'est de façon naturelle qu'on lui confie la réalisation du premier film de Pat Labor, qu'il empreint de réflexions et de références religieuses. Le second film, sorti en 1993 reflète encore plus cet esprit propre à Oshii. Son adaptation de Ghost in The Shell en 1995 n'échappe pas à cette atmosphère sombre avec une action au ralenti et des instants mystérieux et obscurs. Il s'essaye aussi au film live, avec entre autres, Avalon en 2001.

Il revient au long-métrage d'animation en 2004, avec le deuxième volet de Ghost in the Shell, Innocence, qu'il présente au festival de Cannes.

Mamoru Oshii, comme Miyazaki ou Tezuka, fait sentir sa présence et sa touche personnelle dans tous les travaux qu'il réalise.