Seul empereur de la dynastie des Welf, il succédait à Henri VI, de la maison de Hohenstaufen, qui était mort en 1197 en laissant un fils mineur, Frédéric II. Otton conduisit une longue lutte pour le trône contre l'oncle de Frédéric, Philippe de Souabe, et ne régna en maître qu'après l'assassinat de ce dernier en 1208, jusqu'à 1211 (lorsque le pape l'excommunia pour ses tentatives de récupérer la suprématie sur le royaume de Sicile). Après l'élection de Frédéric comme nouveau roi des Romains, en 1212, et sa défaite contre le roi de France Philippe Auguste à la bataille de Bouvines, en 1214, Otton ne parvint pas à s'imposer et il se retira dans son pays natal. Il est inhumé en l'église Saint-Blaise de Brunswick.
Après les conflits entre Henri le Lion et Frédéric Barberousse, Otton est considéré comme le dernier grand représentant de la puissante famille des Welf dans la compétition acharnée avec les Hohenstaufen (guelfes et gibelins). Néanmoins, la plupart de ses contemporains dressaient un tableau bien négatif de son règne et, jusqu'au XIXe siècle, il existait un point de vue traditionnel selon lequel la double élection de 1198 contribua de manière déterminante au déclin du pouvoir impérial. Des études plus récentes soulignent la tradition du baronnage anglo-normand, à laquelle la cour d'Otton demeure attachée, et le manque de familiarisation avec les processus de collaboration entre l'empereur et les princes.
Son père était le plus riche et le plus puissant des nobles germaniques ; Henri le Lion était aussi un soutien essentiel du règne de son cousin, l'empereur Frédéric Barberousse, jusqu'à sa chute en 1180. Deux ans plus tard, la famille a dû fuir en exil à la cour d'Angleterre où Otton passe sa jeunesse. Son oncle Richard Cœur de Lion, roi d'Angleterre à partir de 1189, essaie de le créer comte d'York, et par mariage roi d'Écosse, mais comme ces tentatives échouent, il lui donne le comté de Poitou en 1196. Il le reste jusqu'au , date où certains électeurs de l'Empire, menés par l'archevêque Adolphe de Cologne, l'élisent roi des Romains, première marche pour accéder au titre impérial. Otton obtient l'accord des princes ecclésiastiques comme l'archevêque Conrad Ier de Mayence ; toutefois, d'autres électeurs autour de Bernard III de Saxe et Louis de Bavière avaient désigné le frère du défunt empereur, Philippe de Souabe, le à Mühlhausen.
Le , son rival Philippe est assassiné par Otton de Wittelsbach, comte palatin de Bavière. Son concurrent étant mort, il se fait couronner empereur à Rome par le pape Innocent III le , accompagné de l'archevêque Albert II de Magdebourg.
Suzerain de la Provence, il nomme en novembre 1209 l'Anglais Gervais de Tilburymaréchal de la cour impériale pour le royaume d'Arles avec obligation de résider à Arles, alors siège de nombreuses ambitions.
En 1210, il est excommunié par Innocent III, après qu'il se fut emparé de Spolète et d'Ancône qui faisaient partie des territoires pontificaux. Le , Otton IV est défait à la bataille de Bouvines par Philippe Auguste, y perd les insignes impériaux, s'enfuit et est déposé par les princes. Il ne conserve que le Brunswick.
Famille
Le , il avait épousé Béatrice de Souabe (fille de Philippe de Souabe, son malheureux rival) et devient ainsi duc de Souabe. Mais comme cette dernière avait trouvé la mort un mois après son mariage, il s'était remarié deux ans plus tard avec Marie de Brabant, fille d'Henri Ier.