Мамору Осии родился в Токио 8 августа 1951 года. Мамору — младший из трёх детей семейства Осии. В детстве его часто водили в кино — каждые выходные, а иногда и посреди рабочей недели. В школе Мамору увлекался научной фантастикой и планировал стать писателем-фантастом. Он переписывался с известным японским писателем Рю Мицусэ, читал много иностранной фантастики.
В старшей школе Мамору заинтересовался политикой и протестным движением, участвовал в демонстрациях. Позже это увлечение отразилось в его работах, таких как «Полиция будущего: Восстание» и «Оборотни». После школы он поступил в Tokyo Gakugei University, который закончил в 1976 году.
Сняв несколько короткометражных фильмов, в 1977 году Мамору Осии поступил на работу в анимационную студию Tatsunoko Production. Его дебютом в качестве режиссёра стал фильм Ryu no me no namida (1979). В 1980 он перешёл в студию Studio Pierrot, где продолжил изучать профессию режиссёра под руководством Хисаюки Ториуми. Вместе они работали над аниме-сериалом Nils no Fushigi na Tabi, OVA-сериалом Dallos. Там же Мамору Осии работал над своим первым крупным проектом — Urusei Yatsura, — экранизацией манги Румико Такахаси и его первым полнометражным фильмом Urusei Yatsura: Only You.
Первой работой Осии как независимого режиссёра стало OVA Angel's Egg в 1985 году. Позже он присоединился к команде Headgear, с которой работал над OVA-сериалом Kidou Keisatsu Patlabor и полнометражными фильмами «Полиция будущего» и «Полиция будущего: Восстание». После успеха второго полнометражного фильма Осии пригласили для экранизации манги Масамунэ Сиро «Призрак в доспехах». Полнометражный фильм «Призрак в доспехах» стал одним из самых известных аниме на Западе.
В 2000 году Осии поставил художественный фильм совместного польско-японского производства «Авалон». В 2004 году вышло продолжение «Призрака в доспехах» — полнометражный фильм «Призрак в доспехах: Невинность», при создании которого Осии снова выступил в качестве режиссёра. В том же году фильм был номинирован на золотую пальмовую ветвь каннского кинофестиваля.
Впервые за двадцать лет повидавшись со своей дочерью, Осии приступил к созданию полнометражного аниме Sky Crawlers — экранизации романа Хироси Мори[7]. Анимационный фильм вышел в 2008 году и получил награду Future Film Festival Digital Award на 65-м Венецианском кинофестивале.