Wallach sinh ra tại Königsberg, con trai của một quan chức Phổ. Cha của ông là hậu duệ của một gia đình Do Thái đã chuyển đổi sang chủ nghĩa Lutheran. Mẹ ông là một người Đức theo Tin Lành. Cha Wallach đã được chuyển giao cho Stettin (Szczecin) và sau đó Potsdam. Otto Wallach đã đi đến trường trung học ở Potsdam, nơi ông đã học về văn học và lịch sử nghệ thuật, hai đối tượng đã quan tâm đến toàn bộ cuộc sống của mình. Vào thời gian này ông cũng bắt đầu thí nghiệm hóa học tư nhân tại nhà của cha mẹ.

Năm 1867, ông bắt đầu nghiên cứu hóa học tại Đại học Göttingen, nơi mà vào thời điểm này, Friedrich Wöhler là người đứng đầu của khoa hóa học hữu cơ. Sau khi một học kỳ tại Đại học Berlin với August Wilhelm von Hofmann, Wallach nhận bằng tiến sĩ từ Đại học Göttingen vào năm 1869, và làm giáo sư tại Đại học Bonn (1870-1889) và Đại học Göttingen (1889 - 1915). Wallach đã qua đời tại Göttingen.