Em 1966, Otávio Augusto estreou nos palcos com a peça 'Os Inimigos', de Máximo Gorki, sob direção de José Celso Martinez Corrêa. O encontro com o dramaturgo o levou ao Teatro Oficina, um dos grupos mais importantes da cena teatral paulistana, onde participou de diversas montagens, incluindo 'A Vida de Galileu', de Bertolt Brecht.
A estreia na televisão ocorreu em 1965, na novela 'Turbilhão', exibida pela TV Record. Na década de 1970, passou a colaborar com nomes consagrados da dramaturgia nacional, como Antônio Abujamra, Bráulio Pedroso e Antônio Pedro. O sucesso do ator na televisão se consolidou na década de 1980, quando interpretou papéis marcantes na teledramaturgia brasileira, como Jorge Moreno em 'Selva de Pedra' e General Célio em 'Roque Santeiro', ambas da TV Globo.
Ao longo da carreira, esteve em outras novelas como 'Baila Comigo', 'Louco Amor', 'Fera Ferida', 'A Próxima Vítima', 'Dona Flor e Seus Dois Maridos', 'Força de um Desejo', 'A Padroeira', 'Cabocla', 'Cobras e Lagartos', 'Duas Caras', 'Três Irmãs', 'Tempos Modernos', 'Araguaia', 'Avenida Brasil', 'Alto Astral', 'Salve-se Quem Puder', 'A Lei do Amor', 'Vai na Fé', entre outras.
Otávio Augusto também tem uma extensa e reconhecida carreira no cinema. Ele fez seu primeiro filme em 1970 e, a partir daí, construiu uma filmografia diversificada. Um dos seus filmes de destaque foi 'Mar de Rosas', de 1977, no papel de Orlando Brade, ao lado da atriz Norma Bengell, trabalho reconhecido com o prêmio de Melhor Ator no Festival Internacional de Cinema de Toronto e o Troféu APCA.
Em 1985, venceu o Kikito de Ouro do Festival de Gramado na categoria Melhor Ator Coadjuvante pelo filme 'Noite', de Gilberto Loureiro. Mais de vinte anos depois, em 2006, voltou a vencer o Kikito de Ouro, novamente como Melhor Ator Coadjuvante, desta vez por seu papel no longa 'Anjos do Sol', dirigido por Rudi Lagemann.
No final dos anos 1990, ele fez parte do elenco de 'Central do Brasil' como Pedrão. O longa, estrelado por Fernanda Montenegro, foi um marco do cinema nacional. O filme foi indicado ao Oscar de Melhor Filme Estrangeiro, enquanto Fernanda Montenegro recebeu indicação na categoria de Melhor Atriz.
Em 2018, o ator foi diagnosticado com hidrocefalia, acúmulo de líquido dentro da cavidade craniana, após passar mal durante os testes para integrar o elenco da novela 'Segundo Sol'. Na época, foi substituído por José de Abreu. Depois, voltou a trabalhar normalmente em filmes e novelas.