Yasuo Ōtsuka est né le 11 juillet 1931 dans le bourg rural de Tsuwano, dans la préfecture de Shimane, au sud du Japon. Alors qu'il a huit ans, il déménage dans la ville voisine de Yamaguchi puis rentre au lycée à 15 ans où il suit des études dans le génie civil. À 20 ans, il trouve un emploi dans le département de statistique dans les services de la préfecture de Yamaguchi. L'année suivante, en 1952, il déménage à la capitale et travaille au bureau des narcotiques du ministère de la Santé. En 1956, il change totalement de métier et intègre le studio Toei Dōga (Tōei Animation depuis 1998) en tant qu'animateur. C'est là qu'il y rencontre Isao Takahata et Hayao Miyazaki, rentrés respectivement à la Toei en 1959 et 1963. Tous les trois, ils partagent des activités syndicales et surtout le film Horus, prince du Soleil qu'ils mèneront à terme malgré les oppositions du studio. Après la sortie du film, il change de studio pour A Production (futur Shin-Ei Animation), où il est rapidement rejoint par Isao Takahata, Hayao Miyazaki et Yōichi Kotabe. Il s'ensuit une étroite collaboration où Yasuo Ōtsuka occupe le rôle de chef animateur. Il reste chez A production jusqu'en 1977 puis part rejoindre Hayao Miyazaki au studio Telecom Animation Film. Il travaille alors en tant que chef animateur sur les premières réalisations de Miyazaki comme Conan, le fils du futur (1978) ou Le Château de Cagliostro (1979). Par la suite, il réduit grandement ses activités, en se contentant bien souvent du seul rôle de superviseur. Son travail lui a valu de prestigieuses récompenses : en 1998, il reçoit le prix spécial du jury au 3e Festival d'animation de Kōbe pour sa contribution à l'industrie de l'animation japonaise ; en 2002, un prix de l'Agence pour les Affaires culturelles du ministère de l’Éducation ; et en 2008, le prix du public au Tokyo International Anime Fair. En 2001, Yasuo Ōtsuka a animé une master class au Forum des images à Paris, dans le cadre du festival Nouvelles images du Japon dont il était l'invité et qui lui a consacré une rétrospective.