Otakar Vávra se narodil v rodině ředitele všeobecné úvěrní společnosti v Hradci Králové Aloise Vávry a jeho ženy Marie dne 28. února roku 1911.
Studoval v Brně a Praze architekturu. Během let 1929–1930, kdy stále ještě studoval, spolupracoval na několika dokumentech. Roku 1931 Otakar Vávra produkoval experimentální film Světlo proniká tmou (i následující krátké filmy Žijeme v Praze a Listopad byly experimentálními snímky). Prvním filmem, který režíroval, byla Filosofská historie z roku 1937.
Dalším filmem byl Cech panen Kutnohorských, kde si zahrála Zorka Janů, sestra známé Lídy Baarové. Zorka Janů hrála i ve Vávrových filmech ze 40. let Podvod s Rubensem a Pacientka Dr. Hegela. Její sestra Lída Baarová hrála ve Vávrových filmemch Panenství, Maskovaná milenka, Dívka v modrém a Turbína.
Po roce 1945 natočil Krakatit, film se silným protiválečným poselstvím. Po únorovém komunistickém puči roku 1948 se přizpůsobil nové situaci a točil a produkoval filmy oslavující nový režim nebo epické historické fresky podporující oficiální interpretaci české historie: Jan Hus, Jan Žižka a Proti všem.
V dalším desetiletí se režim stal liberálnějším a toto období přineslo jeho nejhodnotnější filmy: Zlatá reneta, Romance pro křídlovku a především Kladivo na čarodějnice. Podobně jako celý český film, v šedesátých letech 20. století prožíval mimořádné tvůrčí období. Po pádu socialismu stát víceméně přestal dotovat kinematografii a jeho posledním dlouhometrážním filmem tak zůstala Evropa tančila valčík.
Celkem natočil na padesát filmů. V padesátých letech společně s jinými českými režiséry pomohl založit FAMU, na které vyučoval po pět dekád (od roku 1963 jako profesor). Jeho studenty byli Miloš Forman a jiní představitelé české nové vlny. Z FAMU odešel v roce 2008.
V roce 2001 byl vyznamenán Českým lvem za celoživotní přínos české kinematografii, Cenou za mimořádný umělecký přínos světovému filmu na karlovarském filmovém festivalu a v roce 2004 Medailí Za zásluhy. Oceněn tak byl prakticky každým politickým systémem, kterým prošel, nacistickým, komunistickým i demokratickým.
Z prvního manželství měl jednoho syna. Jeho mnohaletou partnerkou až do závěru života byla téměř o 40 let mladší režisérka Jitka Němcová.
Zemřel 15. září 2011 dvě hodiny před půlnocí na pooperační komplikace zlomeniny krčku.
