Miranda Otto est né à Brisbane. Elle est la fille de l'acteur de cinéma Barry Otto et de l'ancienne actrice Lindsay Otto (qui est parti en retraite). Gracie Otto, la demi-soeur de Miranda, est aussi une actrice. Otto a été élevée à Newcastle puis a résidé brièvement à Hong-Kong après la séparation de ses parents en 1973. Elle a passé des week-ends et des vacances avec son père à Sydney et a développé un intérêt pour la comédie. Dans son enfance, Otto et ses amis ont écrit des scénarios et ont conçu des costumes et des prospectus dans leur temps libre. Elle est apparu dans plusieurs pièces au Théâtre Nimrod, ou elle à attiré l'attention de directeur de casting Faith Martin. Par la suite, Otto a reçu un rôle dans un drame se déroulant à la Deuxième Guerre mondiale et se nommant Emma's War. Adolescente, Otto a excellé dans le milieu universitaire et dans le ballet, qu'elle a considéré comme une option de carrière. Cependant, elle a dû abandonner ce but dû pour ne pas aggraver sa scoliose. Otto a terminé ses études au National Institute of Dramatic Art à Sydney en 1990. Avant la réception de son diplôme, elle a joué plusieurs rôles dans des films mineurs tels que Initiation (1987) et The 13th Floor (1988).
Son premier rôle reconnu est en 1991, ou elle interprète le rôle de Nell Tiscowitz dans The Girl Who Came Late, un rôle qui l'a porté devant l'industrie cinématographique australienne et le grand public. Dans ce film dirigé par Kathy Mueller, elle joue une femme qui a le don de communiquer avec les chevaux. Son rôle lui à valu sa première nomination à l'Australian Film Institute comme "la Meilleure Actrice" l'année suivante.
Le rôle suivant d'Otto était dans le film The Last Days of Chez Nous, qui peint les relations complexes entre les membres d'une famille australienne. Le film fait gagner à Otto sa deuxième nomination à l'Australian Film Institute, cette fois comme "Meilleur actrice secondaire". En 1993, Miranda Otto est co-vedette avec Noah Taylor dans une comédie sexuellement provocatrice nommée The Nostradamus Kid, qui est basé sur les mémoires de l'auteur Bob Ellis pendant les années 1960.
En 1995, Otto commence à douter de son choix de carrière lorsque elle échoue au casting pour lequel elle a auditionné. Elle s'est exilée à sa maison à Newcastle pour presque une année, pendant laquelle elle a peint la maison de sa mère. En 1996, le directeur Shirley Barrett choisi Otto pour le rôle d'une serveuse timide dans son film Love Serenade. Elle y joue Dimity Hurley, une jeune femme solitaire, qui rivalise avec sa soeur plus vieille, Vicki-Ann pour obtenir la main d'un DJ célèbre de Brisbane. Le film a reçu des critiques positives mais aussi des éloges sur le jeu d'acteur de Miranda Otto : Steve Rhodes d'Internet Reviews a estimé que la performance d'Otto était "la plus intéressante et la plus drôle" du film.
Le premier rôle faisant la renommée d'Otto sort en 1997 : Doing Time for Patsy Cline. Lorsque Otto recoit le scénario pour Le Puits, elle refuse de le lire, craignant de ne pas obtenir rôle. Otto a cru qu'elle ne pouvait pas d'une façon convaincante jouer le rôle de Katherine, sensée avoir dix-huit ans, alors qu'elle en avait trente à l'époque. le film, dirigé par Samantha Lang, met en scène une adolescente impliquée dans une relation avec une femme plus vieille et solitaire. Les critiques sont mitigées; le critique Paul Fisher a écrit que la performance de Miranda Otto n'était pas convaincante et qu'elle jouait un personnage répétitif, tandis que Louise Keller a déclaré qu'Otto avait encore une fois sa meilleure performance à l'écran. Otto a gagné sa troisième nomination à l'Australian Film Institute grâce à ce film. Plus tard dans la même année, elle est co-vedette avec Richard Roxburgh dans Doing Time for Patsy Cline. Ce film australien à petit budget a exigé qu'Otto joue de la musique country.
Après la sortie de Doing Time for Patsy Cline, les magazines et autres médias on commencés à s'intéresser au profil l'actrice. En 1997, Otto a commencé une relation avec son partenaire dans le film : Richard Roxburgh. Son engagement avec Roxburgh l'a fait devenir un sujet régulier dans les magazines australiens et les médias.
Le projet suivant d'Otto était la comédie romantique Dead Letter Office (1998). Le film met pour la première fois en scène Miranda avec son père, Barry, qui fait une apparition brève. In the Winter Dark, réalisé par James Bogle, est son prochain film, plus tard dans l'année. Otto joue Ronnie, une femme enceinte récemment abandonnée par son petit ami. Le film était un succès en Australie et Otto a été nommé pour la quatrième fois à Australian Film Institut. Suit un petit rôle dans le film sur la Deuxième Guerre mondiale
La Ligne rouge, mettant en vedette George Clooney et Sean Penn, et de nombreux rôles au dehors des frontières de l'Australie, comme en Italie, où elle joue Ruth dans le film italien à petit budget La volpe a tre zampe, produit en 2001 et diffusé pour la première fois sur la télévision italienne en mars 2009.
Le premier rôle de Hollywoodien de Miranda Otto était en compagnie de Harrison Ford et Michelle Pfeiffer dans le thriller Apparences (2000). Elle joue Mary Feur, une voisine mystérieuse. Le film a reçu un retour mitigé, mais fut un succès international, réalisant un chiffre d'affaires brut de 291 millions de $. En 2001, Otto est devenu naturaliste dans le film Human Nature. L'Auteur Charlie Kaufman, impressionné par son audition deux ans plus tôt pour le film Dans la peau de John Malkovich, a pris des dispositions pour que Otto auditionne et rencontre le directeur du film Michel Gondry. Human Nature fut une déception tant commerciale que critique. Le critique Jeffrey M. Anderson a critiqué l'accent français d'Otto et a écrit qu'elle "ne semblait pas prendre au filet ce qui se passait autour d'elle". La même année, elle est apparu dans l'adaptation de BBC du roman d'Anthony Trollope : The Way We Live Now.
En 1999, Otto a été castée pour jouer le rôle d'Éowyn, fille du roi du Rohan, dans la trilogie du Seigneur des anneaux. Le directeur Peter Jackson la garde immédiatement après le visionnage de la vidéo d'audition qu'elle avait faite en Australie. Pour le rôle, Otto a dut passer six semaines à apprendre la chorégraphie des cascades et l'équitation. Son personnage n'apparait seulement qu'a partir du deuxième film de la trilogie
Les Deux Tours en 2002. La trilogie fut un énorme succès sur le plan critique et commercial. Le troisième film a gagné l'Oscar du meilleur film en 2004. la performance d'Otto lui a fait gagner une nomination de meilleur actrice secondaire à l'Académie de la science-fiction, de la fantaisie et des films d'horreur.
Le projet suivant d'Otto était la minisérie australienne Through My Eyes (2004). Le drame peint l'histoire de Lindy Chamberlain, reconnue coupable (en 1982) d'avoir tuée son bébé, Azaria. Une des affaires les plus connues en Australie. Otto a été castée après son mari, Peter O'Brien, qui interprète le procureur Ian Barker. Elle a été choisi pour le rôle parce qu'il lui a fourni "la perspective d'explorer un personnage non conventionnel." En 2005, Otto a gagnée au Logie Award le prix de "l'Actrice la Plus Remarquable dans une série dramatique" pour son rôle.
Le directeur Steven Spielberg, impressionné par la performance d'Otto dans Seigneur des anneaux, l'a appelée pour lui demander de jouer avec Tom Cruise dans le film de science-fiction à gros budget
La Guerre des mondes (2005). Otto, enceinte à l'époque ne pensait pas pouvoir jouer le rôle, mais le scénario a été retravaillé pour l'accueillir. Après la naissance de sa fille en 2005, Otto a mis sa carrière entre parenthèses pour se concentrer sur sa maternité et pour se remettre au théâtre en Australie.
En 2007, Otto interprète Cricket Stewart, la femme d'un directeur fructueux, dans la minisérie The Starter Wife. La même année, elle joue dans la série télévisée Cashmere Mafia. Dans cette série elle joue Juliet Draper, une riche cadre qui doit compter sur ses amis pour jongler avec les demandes d'une carrière et d'une famille à New York. Otto a été choisi pour la série parce que "la télévision américaine est à l'heure actuelle si intéressante et particulièrement les personnages pour les femmes qui sont fantastiques". Elle "a aimé l'idée d'avoir un personnage au cours d'une longue période de temps et le développer." La série a été arrétée en mai 2008.
Otto a fait ses débuts au théâtre dans la pièce de 1986 The Bitter Tears of Petra Von Kant avec la Troupe de théâtre de Sydney. Trois productions théâtrales pour la Troupe de théâtre de Sydney ont suivis à la fin des années 1980 et au début des années 1990. En 2002, elle est retournée sur les planches pour jouer Nora Helmer dans Une maison de poupée avec son futur mari Peter O'Brien. La performance d'Otto lui a fait gagner une nomination aux Helpmann Awards en 2003 et un MO Award pour "la meilleure actrice féminine dans une pièce".
Son rôle de théâtre suivant était dans le thriller psychologique Boy Gets Girl (2005), dans lequel elle joue Theresa, une journaliste pour un magazine de New York. Otto été engagée pour le projet avant de savoir qu'elle était enceinte. Robyn Nevin, le directeur, a reprogrammé la production de décembre 2004 à septembre 2005 pour que Miranda puisse y apparaître. En 2005, Nevin a commencé la préproduction d'une pièce préparée spécialement pour Otto.