Dritter von fünf Söhnen des Politikers und SPD-Mitbegründers Wilhelm L. (1826-1900) und dessen zweiter Frau Natalie, geb. Reh (1835-1909). Verheiratet (seit 1901) mit der am Berliner Konservatorium ausgebildeten Pianistin Elsa Ernestine L., geb. Friedland, die einer jüdischen Musikerfamilie entstammte.
1899 Promotion bei Arthur Rosenheim an der Berliner Universität mit einer Arbeit „Über Sauerstoffsäuren des Jods“. Seine Mitgliedschaft in der SPD erschwerte L. zunächst eine wissenschaftliche Karriere. Erst im Juli 1900 erhielt er eine Anstellung im Forschungslabor der „Deutschen Gold- und Silber-Scheideanstalt vorm. Roessler“ (ab 1980 „Degussa AG“) in Ffm. Als Chefchemiker des Unternehmens erwarb L. insgesamt 58 Patente auf synthetische Verfahren. So beschäftigte er sich u. a. mit einem Verfahren zur Darstellung und Reinigung von Indigo. Bekannt wurde er insbesondere durch seine Forschungen zur Herstellung von Natriumperborat, einem selbsttätigen Bleichmittel. Zwar hatte der Franzose François Jaubert bereits neun Monate vor ihm ein Patent hierzu angemeldet, doch entwickelte L. ein effektiveres Synthese-Verfahren, das der Degussa zu langfristigem Erfolg verhalf. Mit der Entwicklung dieses Verfahrens gilt L. als einer der Wegbereiter des Waschmittels Persil, dessen Name aus Perborat-Silikat (als Verbindung zwischen dem Bleichmittel Natriumperborat und dem Schmutzlöser Natriumsilikat) abgeleitet wurde. Dieses bis heute bekannte Produkt wurde 1907 als erstes selbsttätiges Waschmittel von der Düsseldorfer Firma Henkel auf den Markt gebracht. Trotz seiner gehobenen Position in der Degussa setzte sich L. auch für die Interessen der weniger privilegierten Betriebsangehörigen ein, und 1920 wurde er zum Vorsitzenden des ersten Betriebsrats der Degussa gewählt.
1925 Bruch mit der Degussa: Auseinandersetzungen mit der Firmenleitung führten zu einem gerichtlich ausgetragenen Konflikt um die Qualität seiner Arbeit, der nach L.s Kündigung mit einem Vergleich endete. Von 1925 bis 1939 Chefchemiker der Permutit AG in Berlin. Zugleich von 1931 bis 1935 Dozent an der Berliner Universität. Seit 1943 freier wissenschaftlicher Berater der Essener „Th. Goldschmidt AG“. In der NS-Zeit wurde L. von den politischen Machthabern aufgrund seiner prominenten sozialistischen Herkunftsfamilie bzw. seinen noch lebenden, sich teilweise im Exil befindenden Verwandten – wie dem 1933 in die Schweiz emigrierten Bruder Theodor und seinem seit 1931 in der Sowjetunion lebenden Sohn Kurt – misstrauisch beäugt und mehrfach von der Gestapo verhört. Seine Lehrtätigkeit wurde ihm 1935 untersagt. Nach 1945 jedoch wurde L. aufgrund seiner Herkunft von der neuen politischen Führung in der sowjetischen Besatzungszone protegiert. Auf Anregung von Wilhelm Pieck, dem späteren ersten Staatspräsidenten der DDR, wurde er noch kurz vor seinem Tod zum Professor der organischen und anorganischen Chemie an der im Ostsektor der Stadt befindlichen Universität Berlin ernannt.
Anders als sein Vater und seine beiden älteren Brüder, der 1919 ermordete KPD-Mitbegründer Karl L. (1871-1919) und der letzte USPD-Vorsitzende Theodor L. (1870-1948), wurde Otto L. nicht parteipolitisch aktiv, auch wenn er lange SPD-Mitglied war und sich auf betrieblicher Basis für die Arbeiterbewegung einsetzte.
Das Ffter Wohnhaus der Familie L. befand sich in der Myliusstraße 2 im Westend.
Die Tochter Edith L. (1902-?) arbeitete nach 1945 für den Ost-Berliner Rundfunk. Der Sohn Kurt L. (1905-1994), promovierter Architekt, war von 1951 bis 1961 Präsident der Deutschen Bauakademie (DBA) in der DDR. Er verfasste eine Autobiographie („Mein bewegtes Leben“, 1986).