Отто Бючли родился 3 мая 1848 года во Франкфурте в семье кондитера. Ещё в 1830 году отец иммигрировал из Швейцарии в Германию и осел во Франкфурте. Там женился в 1843 году на Эмилии Кулльман, коренной жительнице Франкфурта. После окончания школы во Франкфурте Отто Бючли изучал с 1864 года минералогию, химию и палеонтологию в Политехническом институте в Карлсруэ. С 1865 по 1866 год он был ассистентом палеонтолога Карла Альфреда фон Циттеля. В 1866 году Бючли перешёл в Гейдельбергский университет, где получил учёную степень доктора философии в 1868 году по минералогии, химии и зоологии и стал затем ассистентом Роберта Вильгельма Бунзена.
С 1869 года Бючли был ассистентом у Рудольфа Лейкарта в университете Лейпцига, так как он решился для себя переключиться на зоологию. Там он занимался исследованиями онтогенеза у нематод.
С 1873 по 1874 год он был ассистентом зоолога Карла Августа Мёбиуса в университете Киля, где он продолжал свои исследования инфузорий. В 1876 году он защитил докторскую диссертацию в Политехническом институте в Карлсруэ, где он действовал дальше чем приват-доцент.
В 1878 году, ещё не достигнув 30-ти лет, Бючли стал ординарным профессором зоологии и палеонтологии в университете Гейдельберга. Несмотря на многочисленные приглашения, поступавшие из других университетов, учёный до конца своей жизни оставался в Гейдельберге. В то время жители Гейдельберга в разговорной речи больше не называли институт зоологическим, а называли его «институтом Бючли». Результаты исследований эволюционных процессов яйцеклетки и простейших были впервые опубликованы в 1876 году в статьях Зенкенбергского общества. Эти исследования и одновременно опубликованная по ботанике работа известного ботаника Эдуарда Страсбургера поставили цитологию на новую научную основу.