Мамору Осии родился в Токио 8 августа 1951 года. Мамору — младший из трёх детей семейства Осии. В детстве его часто водили в кино — каждые выходные и, иногда, посреди рабочей недели. В школе Мамору увлекается научной фантастикой и планирует стать писателем-фантастом. Он переписывается с известным японским писателем Рю Мицусэ, читает много иностранной фантастики. В старшей школе Мамору заинтересовывается политикой, участвует в демонстрациях. Позже его увлечение политикой и протестным движением отразится в его работах таких, как Полиция будущего: Восстание и Оборотни. После школы он поступает в Tokyo Gakugei University, который заканчивает в 1976 году.
Сняв несколько короткометражных фильмов, в 1977 году Мамору Осии поступает на работу в анимационную студию Tatsunoko Production. Его дебютом в качестве режиссёра стал фильм Ryu no me no namida (1979). В 1980 он переходит в студию Studio Pierrot, где продолжает изучать работу режиссёра под руководством Хисаюки Ториуми. Вместе они работают над аниме-сериалом Nils no Fushigi na Tabi, OVA-сериалом Dallos. Там же Мамору Осии работает над своим первым крупным проектом Urusei Yatsura — экранизацией манги Румико Такахаси и его первым полнометражным фильмом Urusei Yatsura: Only You.
Первой работой Осии как независимого режиссёра стало OVA Angel's Egg в 1985 году. Позже он присоединяется к команде Headgear, с которой работает над OVA-сериалом Kidou Keisatsu Patlabor и полнометражными фильмами Полиция будущего и Полиция будущего: Восстание. После успеха второго полнометражного фильма, Осии пригласили для экранизации манги Масамунэ Сиро Призрак в доспехах. Полнометражный фильм Призрак в доспехах стал одним из самых известных аниме на западе.
В 2000 году Осии режиссирует художественный фильм совместного польско-японского производства Авалон. В 2004 году выходит продолжение Призрака в доспехах — полнометражный фильм Призрак в доспехах: Невинность. Осии снова выступает в качестве режиссёра. В том же году фильм номинируется на золотую пальмовую ветвь каннского кинофестиваля. Впервые за двадцать лет повидавшись со своей дочерью, Осии приступает к созданию полнометражного аниме Sky Crawlers — экранизации романа Хироси Мори. Анимационный фильм выходит в 2008 году и получает награду Future Film Festival Digital Award на 65-ом Венецианском кинофестивале.