Estudió química, doctorándose en 1924, en la Universidad de Fráncfort del Meno con Julius von Braun.
[3] En 1927 se unió a IG Farben, que tenía una planta química en Fráncfort, y desde 1933 ocupó cargos en su área de investigación.
En 1937 Otto Bayer descubrió la poliadición, permitiendo la síntesis de poliuretano a partir de polisiocianato y poliol.
En 1960 recibió el Anillo Werner von Siemens, junto a Walter Reppe y Karl Ziegler, por su trabajo en el campo de la síntesis de polímeros y por el desarrollo de nuevos materiales técnicos (poliuretanos).
En 1960 recibió la Placa Carl Duisberg y en 1975 la Medalla Charles Goodyear de la American Chemical Society.