თავდაპირველად, ოთარ იოსელიანი კონსერვატორიის დამთავრების შემდეგ მოსკოვში, ფიზიკა-მათემატიკის ფაკულტეტზე სწავლობდა, თუმცა როგორც ერთ-ერთ ინტერვიუში თავად იხსენებდა, ერთხელ უნივერსიტეტში სამხედროები მოვიდნენ და ახალი მასობრივი განადგურების იარაღის შესაქმნელად წარჩინებული სტუდენტების შერჩევა დაიწყეს. სწორედ მაშინ მიატოვა სწავლა და მოსკოვის საკავშირო კინემატოგრაფიის ინსტიტუტში ჩააბარა.
ოთარ იოსელიანი 1956 წლიდან კინოსტუდია „ქართულ ფილმში“ მუშაობდა, 1980 წლიდან მოღვაწეობდა საფრანგეთში, სადაც რამდენიმე დოკუმენტური და მცირემეტრაჟიანი ფილმი გადაიღო. 1984 წელს „მთვარის ფავორიტებმა“ ვენეციის კინოფესტივალის ჟიურის სპეციალური პრიზი დაიმსახურა. იგივე პრემია მიენიჭა იოსელიანის ორ სხვა ფილმსაც — „და იყო სინათლე“ (1989) და „ყაჩაღები. თავი VII“ (1996). 1999 წელს ეკრანებზე გამოვიდა ოთარ იოსელიანის ახალი ფილმი „In Vino Veritas!“, სადაც ერთ-ერთ მთავარ როლს თავად ასრულებდა. 2010 წლის კანის კინოფესტივალზე არასაკონკურსო ჩვენებაში წარმოდგენილი იქნა რეჟისორის ახალი ფილმი „შანტრაპა“.
„საფრანგეთში გადაღებული ფილმები ფრანგებს ფრანგული ჰგონიათ. იმედი მაქვს, ქართველებმა იციან, ქართულ ფილმებს ვიღებ დღევანდელობაზე, იმაზე, რაც ვიცი.“ – ამბობდა თავად რეჟისორი.
მას აქვს გადაღებული მოკლემეტრაჟიანი ფილმები: „აკვარელი“ (1958), „აპრილი“(1961); მხატვრული ფილმები: „გიორგობისთვე“ (1966), „იყო შაშვი მგალობელი„ (1970), „პასტორალი“ (1976), „ბასკთა ქვეყანაში“ (1983), „მთვარის რჩეულნი“ (1984), „პეპლებზე ნადირობა“ (1999), „ყაჩაღები“(1996), „მშვიდობით მწვანე მდელო“ (2000, საფრანგეთი); დოკუმენტური ფილმები: „ძველი ქართული სიმღერა” (1969), „თუჯი“ (1964), „საპოვნელა“.
1966 წელს გადაღებულმა სრულმეტრაჟიანმა სადებიუტო ფილმმა „გიორგობისთვე“ კანის საერთაშორისო კინოფესტივალზე კინოპრესის ჯილდო მოუტანა, ფილმისთვის „პასტორალი“ კი ბერლინის საერთაშორისო კინოფესტივალის ჯილდო გადაეცა.
2022 წლის 9 დეკემბერს, იოსელიანს თბილისის საერთაშორისო კინოფესტივალის საპატიო ჯილდო, „პრომეთე“ გადასცეს.
