1954년 4월 14일 일본 미야기 현 도메시 시에서 태어났다. 1973년 만화 잡지 ≪망가아쿠숀≫에서 단편 「총성」으로 데뷔했다. 이후 동 잡지를 중심으로 단편 작품을 발표하며 만화 작가로서 활동했다. 1979년 첫 번째 단행본인 자선 작품집 『쇼트피스(ショ-トピ-ス)』를 출간했고, 동시에 다양한 SF 잡지와 마이너 잡지에 기고하며 뉴웨이브 작가로서 주목을 받았다. 1980년 『동몽(童夢)』과 『기분은 벌써 전쟁』, 1983년 『AKIRA』를 연재하며 단번에 메이저 작가 중 한 사람이 되었다. 1983년부터 「환마대전」 등 다양한 애니메이션 작품에 캐릭터 디자이너 등으로 참여하며 애니메이션계에 뛰어들기 시작했다. 결국 1988년 자신이 각본과 감독을 맡은 애니메이션 「AKIRA」를 발표함으로써 세계적 만화가이자 애니메이터, 동시에 탁월한 크리에이터로 평가받게 된다.

만화 작품으로는 『쇼트피스』(1979년), 『하이웨이스타』(1979년), 『일본이여, 안녕』(1981년), 『GOOD WEATHER』(1981년), 『기분은 벌써 전쟁』(1982년), 『동몽』(1983년), 『AKIRA』(1983-1993년, 전6권), 『그녀의 추억?』(1990년), 『SOS대도쿄탐험대』(1996년) 등이 있고, 애니메이션 및 영상 작품으로는 「미궁물어」(1988년), 「AKIRA」(1988년), 「MEMORIES」(1995년), 「스팀보이」(2004년), 「충사」(2007년), 「SHORT PEACE」(2013년) 등이 있다. 『동몽』으로 일본SF대상, 『AKIRA』로 고단샤 만화상과 아이스너 최우수 채색 부분 만화상, 최우수 국제 작품 부분 만화상 등을 받았고, 프랑스 정부로부터 예술 문화 훈장 슈발리에(L'Ordre des Arts et des Lettres Chevalier)를 받았다. 그리고 2012년 미국 코믹 전당에 일본 작가로는 네 번째로 들어갔다. 2012년 일본 3·11 대지진의 부흥 지원을 겸해 첫 번째 원화전 오토모 가쓰히로 원화전(大友克洋GENGA展)을 개최 약 3000매의 원화를 전시하면서 활동을 재개하기 시작했고, 6년 만의 감독작(옴니버스 형식의 애니메이션인 「SHORT PEACE」 중 「화요진」의 감독·각본)을 발표하며 창작 현장에 복귀했다.