Происходит из старинного дворянского рода. Родился в 1828 году в Санкт-Петербурге. Воспитывался здесь во второй гимназии (1841—1845) и в университете на камеральном отделении, в 1849 году поступил в Министерство иностранных дел и служил секретарём миссии в Вашингтоне (1856—1862) и генеральным консулом в Нью-Йорке (1862—1871).
В 1873 году вышел в отставку, с 1877-го поселился в Гейдельберге.
Во время пребывания в Америке объездил Соединённые Штаты и составил обширные коллекции насекомых, особенно двукрылых, которые отчасти были разработаны самим Остен-Сакеном, отчасти Германом Лёвом.
Многочисленные работы Остен-Сакена посвящены почти исключительно двукрылым, главные из них относятся к фауне Северной Америки, но часть также к фауне других областей (России, Малайского архипелага, Филиппинских островов, Центральной Америки).
Важнейшие работы Остен-Сакена:
По фауне России Остен-Сакен написал «Очерк современного состояния познания энтомологической фауны окрестностей Санкт-Петербурга» («Журнал Министерства народного просвещения», 1858); работа эта положила начало изучению петербургской фауны.