Dopo aver condotto una serie di ricerche sul funzionamento del [[motore a gas illuminante]] inventato da Etienne Lenoir, Otto si dedicò alla realizzazione di esperimenti sui motori a combustione interna. Assieme all'ingegner Eugen Langen, fondò una ditta che nel 1866 produsse il primo modello di motore monocilindrico a due tempi, che presentava un consumo molto più basso di quello del motore di Lenoir. Dopo ulteriori ricerche, nel 1876 Otto e Langen presentarono un motore a quattro tempi, noto anche come motore a ciclo Otto, che riscosse grande successo e, nella nascente industria automobilistica, divenne il modello base per la maggior parte dei motori a combustione interna modermi.