1952 წელს დაამთავრა თბილისის კონსერვატორია კომპოზიციის, დირიჟორისა და ფორტეპიანოს განხრებით. 1953 წელს მოსკოვში გაემგზავრა, სადაც ორ წელიწადს მოსკოვის სახელმწიფო უნივერსიტეტის ფიზიკა-მათემატიკის ფაკულტეტზე სწავლობდა. 1961 წელს დაამთავრა რუსეთის სახელმწიფო კინემატოგრაფიის ინსტიტუტი (ВГИК), სადაც ალექსანდრ დოვჟენკოსა და მიხეილ ჭიაურელის მოსწავლე იყო.

1962 წელს გადაიღო მცირემეტრაჟიანი ფილმი "აპრილი", ხოლო 1964 წელს - დოკუმენტური ფილმი "თუჯი", რომელშიც აღწერა მეტალურგიული კომბინატის მუშაობის ერთი დღე. უკვე ამ ფილმებში გამოჩნდა რეჟისორის ორიგინალური სტილი, რომელიც აშკარა იყო მის პირველ სრულმეტრაჟიან ფილმში "გიორგობისთვე" (1966). ამ ფილმისთვის მან კანის კინოფესტივალის სპეციალური კინოპრესის ჯილდო და ჟორჟ სადულის პრიზი დაიმსახურა საუკეთესო სადებიუტო ნამუშევრისთვის. 1971 წელს ეკრანებზე გამოვიდა ფილმი "იყო შაშვი მგალობელი", ხოლო 1976 წელს გადაიღო "პასტორალი", რომელმაც ბერლინის ფესტივალის კინოპრესის ჯილდო დაიმსახურა.

1980-იანი წლების დასაწყისიდან ოთარ იოსელიანი საფრანგეთში მუშაობს. საფრანგეთში გადაღებული აქვს რამდენიმე დოკუმენტური და მცირემეტრაჟიანი ფილმი: 1984 წელს "მთვარის ფავორიტებმა" ვენეციის კინოფესტივალის ჟიურის სპეციალური პრიზი დაიმსახურა. იგივე პრემია მიენიჭა იოსელიანის ორ სხვა ფილმსაც - "და იყო სინათლე" (1989) და "ყაჩაღები. თავი VII" (1996). 1999 წელს ეკრანებზე გამოვიდა ოთარ იოსელიანის ახალი ფილმი "In vino veritas!", რომელშიც ის თავად ასრულებს ერთ-ერთ მთავარ როლს. 2010 წლის კანის კინოფესტივალზე არასაკონსკურსო ჩვენებაში წარმოდგენილი იყო რეჟისორის ახალი ფილმი "შანტრაპა".