Seine Eltern waren Pfalzgraf Ruprecht und Elisabeth von Bayern-Landshut.

1518 nahm er am Reichstag in Augsburg teil, 1522 übernahm er mit seinem Bruder Philipp die Regierung des 1504 gegründeten Fürstentums Neuburg, welches aber 1535 wieder unter ihnen aufgeteilt wurde. Ottheinrich reiste viel und beteiligte sich an einigen Kriegszügen, wie etwa der Sickingen-Fehde 1523 oder dem Bauernkrieg 1525. 1529 heiratete er Susanna von Bayern, die Witwe des Marktgrafen Johann Kasimir von Ansbach. 1541 erhielt er von seinem Bruder Philipp dessen Landesteil mitsamt seinen Schulden zurück. Er schaffte es um 1548 die Bibliothek des Klosters Lorsch auf das Heidelberger Schloss zu schaffen. 1556 übernahm er von Kurfürst Friedrich II die Herrschaft als Kurfürst und führte die Reformation ein.

Nach Ottheinrich ist der bekannte unter seiner Regierung errichtete Ottheinrichsbau des Heidelberger Schlosses benannt.