Отори Кэйсукэ родился в деревне Акамацу, в княжестве Ако провинции Харима (современный префектура Хиого), в семье врача Кобаяси Наосукэ. В юном возрасте он поступил в школу Сидзутани в Бидзэне, занимаясь китаеведением, и продолжил свое образование в известной школе Рангаку Огата Коан, где изучал голландский язык и медицину. Дальнейшее обучение было получено в Эдо, куда Отори отправился в школу Цубои Тадамасу, известную тем, что обучал студентов, занимающихся изучением и переводом голландского языка. Находясь в Эдо, он также получил образование у Эгавы Тарозаэмона по военной стратегии, и изучал английский язык с Накахамой Манджиро, таким образом обретая необычно полное для своего времени понимание западной культуры. В результате в 1859 году сёгунат Токугава назначил его инструктором в свой институт Кайсэйдзё, и именно оттуда Отори поступил в армию сёгуната.
Вступив в армию Токугава, Отори подал надежды в качестве ученика, быстро став старшим инструктором по тактике пехоты. После периода, проведенного в качестве ученика Жюля Брюне в Иокогаме, изучая специфику тактики французской пехоты, он был повышен до (пехотного магистрата (歩兵奉行, Hohei bugyō)), звания, эквивалентного четырехзвездному генералу в современной западной армии.
Отори использовал свой статус уважаемого ученого-западника, чтобы сделать довольно неожиданный шаг, предложив сёгуну предложения по государственной реформе. В 1864 году он опубликовал петицию, в которой выразил свое мнение о преимуществах двухпалатного законодательного органа для правительства. На своем посту в армии Отори смог создать элитную бригаду Дэнсютай, созданную по совету стратегов, прикомандированных к французской военной миссии в Японии в 1867—1868 годах. Члены Denshūtai, состоящие из 800 человек, были выбраны на основе способностей, а не происхождения; вопрос особой решимости для Отори, который помнил о своем относительно скромном рождении.
После военной неудачи в битве при Тоба-Фусими в начале 1868 года сёгун Токугава Ёсинобу вернулся в Эдо и серьезно задумался о том, чтобы присягнуть на верность новому правительству Мэйдзи. Отори Кэйсукэ и Огури Тадамаса не собирались складывать оружие без боя и заявили о своем намерении продолжать войну, но после сдачи замка Эдо Отори собрал 500 человек армии сёгуната в храме Хо’он-дзи в Асакусе и покинул Эдо. По прибытии в Итикава он присоединился к Хидзикате Тосидзо из Синсэнгуми, Акизуки Тоносукэ из Айдзу, Тацуми Наофуми из Куваны и другие, увеличив свои силы до 2000 человек. Разделив пехоту на три группы, он приказал им атаковать. Один отряд двинулся в сторону Никко, нанеся поражение отряду имперской Армии у Коямы в провинции Симоцукэ. Отдельное подразделение под командованием Хидзиката также нанесло поражение силам Имперской армии в замке Уцуномия и продолжило проникновение в замок через Кояму. Однако в конечном итоге для Отори Кэйсукэ больше не будет военных побед.