Otto Sander wurde in Hannover geboren und wuchs in Peine und Kassel auf, wo er 1961 das Abitur ablegte. Anschließend absolvierte er seinen Wehrdienst bei der Bundesmarine. 1962 bis 1967 studierte Sander Germanistik, Theater- und Literaturwissenschaft, Kunstgeschichte und Philosophie in München. 1964 ging er an die Otto-Falckenberg-Schule, um Schauspielunterricht zu nehmen, welcher er jedoch 1965 verwiesen wurde und seine dortige Ausbildung mit einer externen Abschlussprüfung vollendete.
Schon den Steinbrucharbeiter in Roland Klicks „Ludwig“ (1964), Otto Sanders erste Kinorolle, spielt er verblüffend lebendig und authentisch. Otto Sander ist spontan und überlegt, anwesend und abwesend zugleich, immer lauert Ironie in der Nähe. Es folgen mehr als 80 Arbeiten für Film und Fernsehen, u.a. 1976 Éric Rohmers „Die Marquise von O.“, 1979 Volker Schlöndorffs „Die Blechtrommel“, 1981 „Das Boot“ von Wolfgang Petersen, 1986 „Der Himmel über Berlin“ von Wim Wenders.
Sein erstes Theaterengagement erhält Otto Sander 1965 an den Kammerspielen in Düsseldorf, danach in Heidelberg und Berlin. An der 1970 gegründeten Schaubühne am Halleschen Ufer arbeitet er mit den Regisseuren Stein, Bondy und Peymann zusammen. Ab 1980 gastiert er an diversen Theatern in Berlin. 2004 ist Sander als Hauptmann von Köpenick am Schauspielhaus Bochum zu sehen. 2007 spielt er im Renaissance-Theater in Berlin „Das letzte Band“ von Samuel Beckett. In Bochum, wo ihm im November 2008 der Bernhard-Minetti-Preis verliehen wird, tritt er in „Der Ignorant und der Wahnsinnige“ von Thomas Bernhard auf.
Dank seiner warmen, kräftigen Stimme, für die er bewundernd „The Voice“ genannt wird, ist Sander sehr häufig als Sprecher in Fernsehdokumentationen, Hörbüchern und als Synchronsprecher zu hören.
Otto Sander ist Ziehvater von Ben und Meret Becker, mit denen er auch vor der Kamera agiert.