Отто был самим старшим среди восьми детей в семье Каролины и Гюстава Лилиенталей. Невзирая на смерть отца, мать смогла собственными силами обеспечить детям образование. Отто с 1856 года учился в гимназии в родном городе Анклам, где занимался изучением полета птиц и совершал свои первые эксперименты полетов. Братья Лилиенталь строили и запускали свои модели подальше от глаз своих товарищей, дабы избежать их насмешек. На протяжении всей жизни Отто был сильно связан с двумя своими братьями, благодаря массе своих изобретений и проектов.

С 1864 года Отто начал посещение провинциального ремесленного училища в Потсдаме и, спустя всего два года, был направлен проходить практику на машиностроительный завод. С ноября 1867 года Лилиенталь стал студентом промышленной академии, вскоре преобразованной в технический университет Шарлоттенбург, где получает стипендию, и одобрение своих летнотехнических амбиций от преподавателей университета.

Не смотря на то, что строение птичьих крыл уже ранее изучалось другими исследователями, братьями Лилиенталь были впервые созданы точные измерения и описаны основы принципа парения птиц. Наработки немецких коллег были оценены самими Братьями Райт, а расчетные таблицы названы лучшими на протяжении двух последующих десятилетий. Благодаря своей поэтапной работе («От шага к прыжку, от прыжка к полету») братьям все же удалось выполнить свой первый успешный планирующий полет.

После публикации своей книги, Лилиенталь считал имеющуюся теоретическую базу полностью достаточной для перехода к практическому испытанию полета. Его брат, Гюстав, в этом процессе уже не участвовал, вследствие чего имя Отто Лилиенталя исключительно связано и с первым полетом человека, хотя в технической подготовке брат все же брал участие.

Начиная с 1893 года, почти все возвышенности окрестностей Берлина были использованы как стартовые площадки для воздухоплавания. Этот этап испытаний мог похвастаться полетами, длина которых достигала уже 250 м! В следующем году Лилиенталем было организовано сооружение насыпного искусственного холма в Берлин-Лихтенфельде, высота которого составляла 15 м. Вскоре его стали называть «Fliegeberg» (полетная гора). Смелому пилоту, набравшемуся опыта, во время безветренной погоды с легкостью удавалось пролетать в парении с горы дистанцию около 100 м, а при ветре можно было подняться даже выше точки старта. Лилиенталь описал свои ощущения от полета так: «Во время такого парения не требуется никакая затрата энергии, а управлять аппаратом можно только перемещая центр тяжести. При полете с холма доставляется большое удовольствие, которое одинаково поучительно, приятно и даже освежающе для любого человека будь он специалистом или просто любителем. Ни в одном из видов спорта на открытом воздухе, не требуется такая ловкость и упражнение всего тела, не развивается острота всех чувств, присутствие духа и мужество».

На протяжении всей своей жизни Лилиенталь соорудил около 20-ти разных летательных аппаратов, в том числе и с машущими крыльями и выполнил около 2000 полетов. За время всех этих полетов случилась лишь одна авария, которая обошлась небольшой травмой. В 1894 году начал серийно производиться один из подобных планеров, называемый «Flying machine», после чего полеты стали доступными и для прочих пилотов.

С 1895 года у талантливого немца уже была возможность летать на двух разных бипланах, размах крыльев которых около 5,5 - 7 м, а их площадь 25 м2. А еще в 1893 году Отто даже сконструировал привод на углекислом газе для «взмаха крыльев».

СМИ Германии и всего мира писали о полетах Отто Лилиенталя, научные и популярные издания многих стран публиковали сенсационные фотографии. Ведь это были первые в мире парящие управляемые полноценные полеты человека на аппарате тяжелее воздуха.

Своими достижениями исследователь делился с научной общественностью, первым делом с немецким «Обществом Развития Воздухоплавания», его статьи были опубликованы в научном еженедельнике «Прометей», а также в «Журнале о воздухоплавании и физике атмосферы». Переведенные труды Лилиенталя были опубликованы во Франции, США и России, где другие исследователи, основываясь на них, развивали летную науку. Николай Жуковский, русский ученый, после посещения Отто Лииенталя, был ознакомилен с его полетами и для своих исследований приобрел у него планер «Flying machine».