Otto Möller wird am 20. Juli 1883 als zweites Kind der Eltern Emma Fanny, geb. Haubeiss, und dem Kaufmann Franz Hermann Möller in Schmiedefeld/Thüringen geboren.

Nach dem Besuch der Volksschule und der Oberrealschule bis Oberprima geht er 1903 mit seinem älteren Bruder Rudolf nach Berlin, um sich zum Zeichenlehrer und Künstler ausbilden zu lassen.

1905 nimmt Otto gemeinsam mit seinem Bruder Rudolf an der Königlichen Kunstschule Berlin das Studium zum Zeichenlehrer auf. Im künstlerischen Werk als auch in seinen kunstpädagogischen Ansichten finden sich fortan Einflüsse seines Lehrers, dem Freilichtmaler Philipp Franck (1860 Frankfurt am Main-1944 Berlin). Beim Studium an der Kunstschule lernt Otto seine spätere Ehefrau, die Zeichenlehrerin Erna Minna Juliana Senkbeil, geb. 24. Juni1886, Tochter eines Ingenieurs, kennen.

Nach einem kurzen Aufenthalt zwischen 1907 und 1908 im Atelier von Lovis Corinth nehmen die Brüder ihre Arbeit als Zeichenlehrer am städtischen Paulsen-Realgymnasium in Steglitz auf und werden kurz darauf zu Studienräten befördert.

Als Künstler folgte Otto Möller seinen Vorbildern und Lehrern Philipp Franck und Lovis Corinth. Wie diese bevorzugte er die Darstellung von Landschaften und Alleen, Markt- und Straßenimpressionen, Alltagszenerien, Selbstporträts und intime Bildnisse aus dem Kreis der Familie. Der Einfluss Corinths fand vor allem in den Porträts als auch in seinen wenigen Aktdarstellungen Niederschlag. Zeitgleich setzen auch Möllers erste Versuche auf dem Gebiet der Druckgrafik ein.

1910 stellte Otto Möller als einer der Jüngsten erstmals zusammen mit anderen Absolventen der Königlichen Kunstschule auf der Berliner Secession aus.

1913 heiratet Otto seine Studienfreundin Erna „Anni“ Senkbeil. Sie beziehen ihre erste gemeinsame Wohnung in Berlin-Steglitz in der Mittelstrasse 1 im 4. Stock direkt über dem Bahnhof der Wannseebahn und der Schnellzugstrecke von Potsdam nach Berlin, Anhalter Bahnhof.

Am 16. April 1915 wurde Otto Möller als Soldat mit der Feldfliegerabteilung 67 an der Westfront zwischen Elsass-Lothringen und der Schweiz stationiert. In dieser Zeit entstanden auch einige graphische Arbeiten, die selbst unter schwierigen Umständen mit geringen finanziellen Mitteln und materiellem Aufwand herzustellen waren.

Anni bringt am 12. Juni 1915 ihren ersten Sohn Hans zur Welt.

Am 3. Dezember 1918 wird in Berlin die Novembergruppe gegründet. Otto Möller ist von Beginn an als Mitglied dabei. Zuweilen wird er auch als Mitbegründer genannt. Gemeinsam mit seinem Bruder Rudolf ist er 1919 auf der ersten und fast ohne Unterbrechung auf allen weiteren Ausstellungen der Künstlergruppe vertreten. Als Künstler wendet sich Otto Möller spätexpressionistischen Tendenzen zu. Aus Expressionismus, Dadaismus, Konstruktivismus und Futurismus entwickelte er einen Stilsynkretismus, wie er für die Künstler der Novembergruppe charakteristisch war.

Auch seine pädagogischen Erfahrungen als Zeichenlehrer fielen in der Novembergruppe auf fruchtbaren Boden. Mit Bernhard Hasler (1884 Schenkendorf-1945 Oldesloe), der gleichzeitig mit Möller die Zeichenlehrerausbildung an der Königlichen Kunstschule absolvierte, gehörte Möller neben Georg Tappert, Moriz Melzer, Heinz Fuchs, Rudolf Ausleger, Cesar und Bernhard Klein dem pädagogischen Flügel der Novembergruppe an. Als Zeichenlehrer setzten sie sich für die Umsetzung der kunstpolitischen Ziele der Novembergruppe im Bildungs- und Schulbereich ein. 1920 wird Otto Mölller zur Mithilfe an der Neugestaltung der Kunsterziehung an das „Zentralinstitut für Unterricht und Erziehung“ berufen wird. Dort wirkte er bis 1940 als Lehrbeauftragter für Methodik und Pädagogik an der Umsetzung von Reformen im Kunstunterricht mit.

Am 22. Oktober 1919 tritt Otto aus der evangelischen Kirche aus. Im selben Jahr erleidet seine Frau Anni eine Fehlgeburt. Am 19. April 1921 wird ihr zweiter Sohn Peter geboren. Am 8. März 1929 stirbt seine Ehefrau an Krebs. Am 27. September 1930 heirat Otto Möller erneut. Seine zweite Ehefrau, Margarete Uhlmann (geb. 2.9.1903) ist die jüngere Schwester des erst spät bekannt gewordenen Bildhauers Hans Uhlmann.

Marga und Otto ziehen in eine Wohnung des Berliner Beamtenwohnungsvereins in der Klingsorstrasse 52.

1933 zieht die Familie Möller nach Zehlendorf in die Radtkestrasse 45.

Mit dem Einsetzen des Nationalsozialismus stellt Otto Möller – so seine eigenen Worte – seine Ausstellungstätigkeit ein: „Da ich nicht der Kunstkammer angehören wollte, habe ich in den Jahren 1933 - 45 darauf verzichtet, Kunstausstellungen zu beschicken.“ Im Zuge der Vernichtung „Entarteter Kunst“ durch die Nationalsozialisten ist auch mindestens ein Werk Otto Möllers, ein Seestück aus der Kieler Kunsthalle, zerstört worden.

Seine Tätigkeit als Mitglied des Pädagogischen Prüfungsamtes und Fachberater für den Kunstunterricht in Hessen-Nassau durfte er „aufgrund von Denunziationen ... nach 1933 ... nicht mehr ausüben.“ Trotz dieser beruflichen Schwierigkeiten wegen seiner „politischen Linkseinstellung und der Zugehörigkeit zur Novembergruppe“ blieb er auch während der Kriegszeit als Beamter dem Schuldienst verbunden. Vom 1. April 1926 bis 20. Juni 1945 unterrichtet Möller am staatlichen Prinz-Heinrich-Gymnasium, zwischen dem 21. Juni 1945 bis 31. August 1946 an der Lilienthalschule in Berlin-Lichterfelde.

1944 trifft die Familie ein schwerer Schlag. Ottos Sohn Peter fällt „unter ungeklärten Umständen“ im Krieg.

Noch im letzten Kriegsjahr übersteht Otto Möller eine schwere Magenkrebsoperation.

Nach dem Zweiten Weltkrieg bot Carl Hofer (1878 Karlsruhe -1955 Berlin), damaliger Leiter der Berliner Hochschule für bildende Künste Otto Möller eine Professur für Malen und Zeichnen in der Abteilung Kunstpädagogik an. Ohne zu Zögern nahm er die Stelle am 1. Oktober 1946 an. Im Rahmen seiner Professur veröffentlichte Möller einige pädagogische Schriften, die seine Bemühungen um die Aufwertung der Kinderzeichnung und seine Reformbestrebungen für den Kunstunterricht widerspiegelten. 1955 tritt Otto Möller in den Ruhestand. Seine künstlerische Tätigkeit übte er bis zu seinem Tod in Berlin am 29. Februar 1964 aus.