Ông sinh năm 1934 tại xã Tả Thanh Oai, huyện Thanh Trì, Hà Nội. Ông đến với mỹ thuật từ sớm. Năm 1950, khi mới 16 tuổi, ông tham gia khoá học đầu tiên của Trường Mỹ thuật Việt Nam ở chiến khu Việt Bắc do họa sĩ Tô Ngọc Vân phụ trách. Tốt nghiệp, ông vào phục vụ trong quân đội, từng tham gia chiến dịch Điện Biên Phủ và có nhiều ký họa kháng chiến.

Hoà bình lập lại, năm 1956, ông được cử đi học khoa Đạo diễn hoạt hình tại Đại học Quốc gia Điện ảnh Liên Xô. Tốt nghiệp năm 1962, ông trở về nước làm việc tại Xưởng phim Hoạt họa búp bê Việt Nam, nay là Hãng phim hoạt hình Việt Nam. Năm 1963, ông cho ra mắt bộ phim hoạt hình đầu tiên mang tên Một ước mơ. Những bộ phim sau đó của ông ghi nhiều dấu ấn với công chúng và đạt nhiều giải thưởng như: Dế Mèn phiêu lưu ký, Chuyện ông Gióng, Trê cóc, Con sáo biết nói, Những chiếc áo ấm, Thạch Sanh, Rừng hoa, Bộ đồ nghề nổi giận, Bước ngoặt, Phép lạ hồi sinh,... Với những tác phẩm này ông đã giành tổng cộng 3 giải Bông sen vàng, 4 giải Bông sen bạc, nhiều bằng khen của Ban giám khảo tại các kỳ Liên hoan phim Việt Nam và một số giải thưởng quốc tế như Bồ nông Bạc tại Liên hoan phim Hoạt hình quốc tế ở Mamaia (România) năm 1966 cho phim Mèo Con, Bồ câu Vàng tại Liên hoan phim quốc tế Leipzig, Cộng hòa Dân chủ Đức (1970) cho phim Chuyện ông Gióng. Với tổng cộng 17 bộ phim được thực hiện, ông là một trong những nghệ sĩ hàng đầu trong ngành điện ảnh hoạt hình Việt Nam. Ông từng giữ cương vị giám đốc Hãng phim hoạt hình Việt Nam, đồng thời nghiên cứu và giảng dạy về hoạt hình.

Ngoài công việc đạo diễn, ông còn là một họa sĩ, hội viên Hội Mỹ thuật Việt Nam (1982). Ông đã vẽ nhiều ký hoạ, tranh sơn dầu, hoạt hình, tranh cổ động, bìa tem, bìa sách, truyện tranh. Ông đã thực hiện hai cuộc triển lãm, lần đầu là vào năm 1971, lần thứ hai là vào tháng 11 năm 2006. Ngoài ra ông còn xuất bản một số cuốn sách về nghệ thuật hoạt hình. Tháng 3 năm 2007, Nhà xuất bản Mỹ thuật phát hành cuốn sách Ngô Mạnh Lân - chặng đường mỹ thuật 50 năm. Ông đã nhận được 6 giải thưởng về mỹ thuật (1 giải A triển lãm đồ họa - Hội nghệ sĩ tạo hình; 1 giải quốc gia về minh họa sách thiếu nhi - Bộ GDĐT và UNICEF; 2 giải nhất và 2 giải nhì về triển lãm áp phích - Bộ VHTT).

Ông tốt nghiệp Phó tiến sĩ Nghệ thuật năm 1984 tại Liên Xô. Ông đã được trao tặng học hàm Phó giáo sư (1991) và danh hiệu Nghệ sĩ nhân dân năm 1997. Năm 2007, ông nhận Giải thưởng Nhà nước cho các tác phẩm: Mèo con, Chuyện ông Gióng, Con sáo biết nói, Những chiếc áo ấm, Trê cóc.

Ngô Mạnh Lân là một trong các nghệ sĩ điện ảnh Việt Nam có mặt trong Bách khoa toàn thư điện ảnh Liên Xô. Năm 2008, ông là một trong 11 nghệ sĩ điện ảnh được tôn vinh trong lễ kỉ niệm 55 năm thành lập ngành Điện ảnh Cách mạng Việt Nam.[1]

Ông là người bạn đời của nữ diễn viên, NSƯT Ngọc Lan. Ông bà có bốn người con mang tên Ngô Phương Lan, Ngô Phương Ly, Ngô Lê, Ngô Lâm. Người con gái cả Ngô Phương Lan hiện nay là tiến sĩ, nhà lý luận điện ảnh.[2]