Il appartient à la famille patricienne des Orseolo. Fils du doge Pietro II Orseolo, il est associé au trône par son père dès 1007, lui succédant et dirigeant le duché de 1009 à 1026. Il épouse Ilona, princesse hongroise et fille du roi de Hongrie.
Il est élu co-régent à seulement 14 ans, sur la demande du doge son père, afin de succéder à celui-ci après sa mort. Cette pratique est très commune, du moins jusqu’à la moitié du 11ème siècle, beaucoup de doges espèrent ainsi pouvoir transformer la république de Venise en une signoria, et le titre de doge en une charge héréditaire. Avant lui, son frère aîné Giovanni avait été co-régent, mais il mourut de la peste.
Il néglige les rapports avec l’Empire d’Occident, bien qu’il soit le filleul de l’empereur Otton III et ne se préoccupe même pas de renouveler les accords commerciaux avec l’Empire. En 1011, il épouse Ilona, fille de Géza, prince magyar, et sœur de Saint Étienne, roi de Hongrie. De cette union naît Pietro, qui, en 1038 est nommé, par Étienne, roi légitime de Hongrie. Cette union hongro-vénitienne justifiera les prétentions des rois de Hongrie sur la Dalmatie vénitienne.
En 1017, il oblige l’évêque d’Adria à rendre à Venise les villes de Loreo et de Fossombrone, en 1018, il organise une expédition contre les pirates croates. La même année, son frère Orso, déjà évêque de Torcello, est élu patriarche de Grado tandis que son frère Vitale, devient le nouvel évêque de Torcello. Le patriarche d’Aquileia dénonce cependant l’irrégularité de l’élection du patriarche de Grado.
Le statut de souverain héréditaire pris par Ottone associé aux principales charges spirituelles de la part de ses frères préoccupent l’aristocratie vénitienne qui se rebelle et le contraint ainsi que son frère Orso, patriarche de Grado, à l’exil en Istrie. Le patriarche de Aquileia Wolfgang von Treffen en profite pour attaquer et conquérir Grado. Les 2 frères sont immédiatement rappelés à Venise et réintégrés dans leurs fonctions respectives. Ottone Orseolo reconquiert immédiatement Grado. Peu de temps après, Domenico Grandenigo, âgé de 18 ans et membre d’une des plus importantes familles de Venise, est nommé évêque de Olivolo. Le doge s’oppose à cette nomination et une autre révolte éclate commandée par Domenico Flabanico. Ottone est capturé, on lui coupe la barbe et il est envoyé à Constantinople, son frère Orso est en même temps chassé de Grado.
Après la seconde destitution, les Vénitiens élisent Pietro Barbolano ; les partisans des Orseolo après quelques années réussissent à le destituer en 1031, lui coupant la barbe et l’exilant à Constantinople, exactement comme il avait été fait à Ottone qui est de nouveau rappelé dans sa patrie. Son frère Vitale, évêque de Torcello, va le chercher à Byzance, pendant que son autre frère Orso, qui a été réintégré dans sa charge de patriarche de Grado, administre Venise. Il meurt avant de rentrer à Venise. Les Orseolo élisent alors comme doge Domenico Orseolo en 1032, un parent d’Ottone, mais l’assemblée populaire le contraint à la fuite à l’issue d’une journée de règne ; il réapparaît à Ravenne en 1036.