Życie i praca Otto Lilienthal był pierwszym z ośmiu dzieci kupca Gustava Lilienthala i jego żony Carolin, de domo Pohle. Prababką od strony ojca była Charlotte von Tigerström, ur. von Balthasar – prawnuczka greifswaldzkiego burmistrza Heinricha Balthasara. Pięcioro z rodzeństwa Ottona zmarło w wieku od kilku miesięcy do paru lat. Ojciec badacza był uzdolniony w zakresie matematyki oraz fizyki, natomiast matka studiowała w Berlinie i Dreźnie muzykę. Kiedy rodzina popadła w problemy finansowe, zdecydowano się na emigrację do Ameryki. Nagła śmierć ojca przekreśliła te plany. W czasie tym Otto Lilienthal miał dwanaście lat. Po śmierci małżonka Carolin podejmowała się wielu zajęć, aby umożliwić dzieciom uzyskanie jak najlepszego wykształcenia. Jej synowie: Otto i Gustav Lilienthalowie uczęszczali od 1856 roku do gimnazjum w Anklam. Do grona ich nauczycieli należał m.in. Gustav Spörer. Próby i eksperymenty lotnicze oraz studia nad techniką lotu ptaka Ottona Lilienthala rozpoczęły się właśnie w tym okresie.