El 1863 féu construir a Colònia el primer model de motor de gas. Perfeccionà i portà a la pràctica les idees exposades el 1862 per Beau de Rochas, i el 1872 elaborà els plans d’un motor de combustió interna, el féu construir i tingué, poc temps després, aplicació en la indústria automobilística. Otto emprava el sistema de cilindre i pistó de la màquina de vapor i dividia el procés en quatre temps; el motor anava proveït d’un regulador centrífug per a limitar la velocitat i d’un sistema de distribució per vàlvules laterals. Aquest tipus de motor de combustió i també el cicle de funcionament són coneguts actualment amb el seu nom (cicle d'Otto).