Оттхайнрих был сыном Рупрехта Благонравного (нем.)русск. (1481—1504) и Елизаветы Баварской (нем.)русск. (1478—1504), дочери герцога Георга Богатого (нем.)русск. (1455—1503). Его дедом по отцовской линии был курфюрст Пфальца Филипп Великодушный (англ.)русск..
Уже в 1518 году Оттхайнрих принял участие в рейхстаге в Аугсбурге. В следующем году, после смерти императора Максимилиана сопровождал своего дядю и опекуна пфальцграфа Фридриха II (англ.)русск. в Испанию для того чтобы доставить новоизбранному немецкому королю Карлу V весть о его избрании. После этого будущий курфюрст посетил Кастилию, владения Арагонской короны, Испанские Нидерланды. Вскоре после возвращения в Германию Оттхайнрих отправился в путешествие на Ближний Восток в землю обетованную, во время которого он вёл дневник. 5 июня 1521 года он прибыл в Венецию, а 10 июля морским путём достиг Яффу. Затем он четыре недели пребывал в Палестине, прибыв 19 июля со своей свитой в Иерусалим. Там он встречался с османским наместником. Затем Оттхайнрих посетил святые места в Вифлееме, реку Иордан, Генисаретское озеро, Голгофу, Елеонскую гору и храм Гроба Господня, где был посвящён в рыцари. 6 августа путешественники вернулись в Яффу, откуда и отправились на родину.
2 июня 1522 года, по случаю проходившего в Нойбурге ландтага, Оттхайнрих вместе со своим братом Филиппом (англ.)русск. крепости Бургленгенфельд были провозглашены совершеннолетними. Вслед за этим они приняли бразды правления образовавшего в результате войны за Ландсхутское наследство (англ.)русск. княжества Пфальца-Нойбурга (т. н. младший Пфальца), которое было в 1535 году ещё раз разделено между ними. На следующий год после этого Оттхайнрих, именуемый теперь Оттхайнрихом Пфальца-Нойбургским, начал масштабное строительство в замке Нойбург (нем.)русск. с целью повышения своего престижа как внутри страны, так и среди высшего дворянства.
Оттхайнрих принимал участие также в военных конфликтах своего времени, например в крестьянской войне.
Ведя дорогостоящий образ жизни, Оттхайнрих оказался вскоре под угрозой банкротства, которого он пытался избежать беря новые кредиты. Однако в его распоряжении находилось ещё не погашенное долговое обязательство из наследства его бабки Хедвиги. Это обязательство на сумму свыше 32 000 гульденов было выдано польским королём Казимиром IV Ягелло по случаю свадьбы его дочери Хедвиги с Георгом Богатым. Сосчитав проценты и проценты на проценты, набежавшие с 1475 года, Оттхайнрих получил огромную сумму в 200 000 гульденов, которую ему должен польский король. Таким образом, 27 ноября 1536 года Оттхайнрих отправился ко двору своего двоюродного деда Сигизмунда I в Краков, куда и прибыл 24 декабря того же года. За время трёхнедельных переговоров удалось достичь договорённость только о выплате основной суммы долга, что не решило финансовых проблем Оттхайнриха.
За время путешествия сопровождавшим Оттхайнриха художником было создано пятьдесят акварельных пейзажей посещённых городов, многие из которых являются старейшими из дошедших до нас изображений этих мест. В течение длительного времени этот художественный дневник путешествия был не известен, сейчас он хранится в библиотеке университета Вюрцбурга. Длина маршрута польского путешествия составила примерно 2200 километров, если попытаться восстановить маршрут по рисункам.
В настоящее время легенда о том, что Оттхайнрих отправился в своё польское путешествие именно с целью взыскания старого долга подвергается сомнению.
В 1541 году Оттхайнрих получил обременённые долгами территории своего брата Филиппа. 22 июня 1542 под влиянием теолога Андреаса Озиандера ввёл в своём княжестве протестантизм. Его построенная в следующем году замковая часовня в Нейбурге является первым сооружением этого культа.
В 1544 году долги Оттхайнриха достигли миллиона гульденов. Свыше 600 кредиторов прибыло в его замок в Нейбурге. В результате последовавших переговоров долги герцога приняло на себя местное самоуправление, получив взамен власть и собственность герцога. В сентябре 1546 года в Нойбург вошли войска императора, обоснованно подозревая Оттхайнриха в поддержке протестантского движения. Подвергнутый имперской опале Оттхайнрих отправился в изгнание к своему дяде в Хайдельберг, а затем в кармелитский монастырь Вайнхайма. Там занимался он алхимией, пытаясь получить золото и философский камень.
4 июня 1548 года от ранее полученного ранения умер его брат Филипп, библиотеку которого Оттхайнрих объединил с библиотеками Лоршского монастыря и Гейдельбергского замка. После смерти своего дяди курфюрста Фридриха II в 1556 году Оттхайнрих унаследовал титул курфюрста Пфальцакого. Однако к тому времени его здоровье было подорвано и весил он почти 200 килограммов. Как курфюрсту ему теперь принадлежали должности имперского стольника (нем.)русск. и имперского викария (англ.)русск..
В 1557 году он ввёл протестантизм в Курпфальце и других принадлежащих ему территориях, поддерживал науки и упразднил кафедру католической теологии в Гейдельбергском университете.
Его библиотека, знаменитая Палатинская библиотека, считалась значительнейшей в свою эпоху. 26 томов из неё находятся сейчас в библиотеке Нойбурга (нем.)русск.. По его приказу была изготовлена иллюминированная Оттхайнрих-Библия.
16 октября 1529 года Оттхайнрих женился в Нойбурге на вдове маркграфа Казимира Бранденбургского (нем.)русск., принцессе Сузанне Баварской (англ.)русск.. Их брак был бездетен.
Оттхайнрих умер на третьем году своего правления в возрасте 56 лет. Его могила в Соборе Святого Духа (нем.)русск. в Гейдельберге во время войны за Пфальцакое наследство была разрушена.