Otto Sander wurde am 30. Juni 1941 als Sohn des Ingenieurs Otto Sander und dessen Ehefrau Marianne in Hannover geboren. Nach bestandenem Abitur leistete er 1961/62 seinen Wehrdienst bei der Bundesmarine ab. Anschließend studierte Sander Theaterwissenschaften, Germanistik, Literaturwissenschaft, Kunstgeschichte und Philosophie an der Ludwig-Maximilians-Universität München. 1964 entschloss er sich zu einer Schauspielausbildung an der Otto-Falckenberg-Schule, von der er ein Jahr später wegen nicht eingehaltener Termine wieder verwiesen wurde, seine dortige Ausbildung jedoch durch eine externe Abschlussprüfung erfolgreich beendete.

Bereits während seiner Zeit an der Otto-Falckenberg-Schule spielte er an der Studiobühne der Universität und als Kabarettist am Rationaltheater. Dem Filmdebüt in Roland Klicks Kurzfilm "Ludwig" (1964), in dem er einen eigensinnigen Bauernsohn und Steinbrucharbeiter verkörpert, folgte Sanders erstes Engagement an den Kammerspielen in Düsseldorf 1965, anschließend kamen Engagements am Theater der Stadt Heidelberg und der freien Volksbühne Berlin hinzu. Peter Stein holte ihn daraufhin an die 1970 gegründete Schaubühne am Halleschen Ufer in Berlin. Als Mitglied es Ensembles arbeitete er bis 1981 mit Regisseuren wie Claus Peymann, Winfried Minks, Klaus-Michael Grüber und Luc Bondy, vor allem aber mit Peter Stein zusammen. Zu seinen größten Erfolgen dieser Zeit gehört die Rolle des Ingenieurs Suslov in Gorkis "Sommergäste" (1975) in dessen filmischer Realisierung er unter der Regie von Peter Stein ein Jahr später ebenfalls mitwirkte. Nach 1981 gastierte Sander an den Bühnen Berlins, so etwa am Schillertheater, der freien Volksbühne und der Komödie am Kurfürstendamm.

Währenddessen folgten zahlreiche Filmrollen, etwa in Eric Rohmers "Die Marquise von O" (1976) als preußisch-strenger Junker oder in Volker Schlöndorffs "Die Blechtrommel" (1979) als ständig betrunkener Trompeter Meyn. Seine wohl bekanntesten Rollen spielte er als verzweifelt sich betrinkender U-Boot Kapitänleutnant Philipp Thomsen in Wolfgang Petersens vielfach preisgekröntem Klassiker "Das Boot" (1981), der ihn auch international bekannt machte, und in Wim Wenders "Der Himmel über Berlin" (1987) als Engel Cassiel. Auch als Regisseur trat Sander in Erscheinung, so zum Beispiel zusammen mit Bruno Ganz in dem dokumentarischen Schauspieler-Doppelporträt "Gedächtnis. Ein Film für Curt Bois und Bernhard Minetti" (1982). Es folgten zahlreiche weitere Produktionen wie Margarethe von Trottas "Rosa Luxemburg" (1986), in der er Karl Liebknecht spielt, Frank Beyers Kriminalkomödie "Der Bruch" (1989), in der Sander als Profi-Ganove Erwin Lubowitz den Banktresor der Berliner Verkehrskreditgesellschaft zu knacken versucht, eine erneute Zusammenarbeit mit Wim Wenders bei "In weiter Ferne, so nah" (1993) und die Rolle des Lorenz in von Trottas "Das Versprechen" (1994). Des Weiteren verkörperte er Bruno Levy in Joseph Vilsmaiers "Comedian Harmonists" (1997), und in Carlo Rolas "Sass" (2001), der Verfilmung einer Gangster-Legende um die gleichnamigen Brüder, die zwischen 1926 und 1933 mit einer Reihe eleganter Beutezüge für Aufsehen sorgten, spielte er deren Vater.

In den folgenden Jahren wirkte er vor allem in Fernsehproduktionen wie dem Thriller "Tödliches Vertrauen" (2002), der "Tatort"-Folge "Die Spieler" (2005) oder einer Neuverfilmung von Zuckmayers "Der Hauptmann von Köpenick" (2005) mit. Auf der Kinoleinwand sah man ihn in einer Nebenrolle von Nicolette Krebitz' "Das Herz ist ein dunkler Wald" an der Seite von Devid Striesow und Nina Hoss. In Dani Levys "Das Leben ist zu lang" hatte Sander einen kurzen Auftritt als Gast einer Party, bei dem er sich selbst spielte.

Für seine Hauptrolle in "Bis zum Horizont, dann links!" erhielt er 2012 den Preis für Schauspielkunst des Festival des deutschen Films in Ludwigshafen.

Dank seiner markanten Stimme wurde Sander zudem häufig als Sprecher für Fernsehdokumentationen, Hörbücher und Hörspiele sowie als Synchronsprecher eingesetzt, was ihm den Beinamen "Die Stimme" einbrachte. So lieh er Dustin Hoffman in Schlöndorffs "Tod eines Handlungsreisenden" (1985) seine Stimme und fungierte als Erzähler, etwa in den beiden Werner-Filmen "Werner – Beinhart!" (1990) und "Werner – Gekotzt wird später!" (2003), oder in Tom Tykwers "Das Parfum – Die Geschichte eines Mörders" (2006) und Marco Kreuzpaintners "Krabat" (2008).

Am 12. September 2013 verstarb Otto Sander im Alter von 72 Jahren in Berlin.