Otunbayeva nació en Osh, Kirguistán, República Socialista Soviética, URSS. Se graduó en la Facultad de Filosofía de la Universidad Estatal de Moscú en 1972 y pasó a enseñar como profesora principal y jefe del departamento de Filosofía en la Universidad Nacional Estatal de Kirguistán durante seis años.
En 1992, la ahora independiente Kirguistán fue dirigida por Askar Akayev, en donde fue elegida para ser a la vez ministra de Relaciones Exteriores y viceprimer ministra, las posiciones que ocupó hasta finales de ese año cuando se convirtió en la primera embajadora de su país en los EEUU y Canadá.
Otunbayeva en 2005 fue uno de los principales dirigentes de la Revolución de los Tulipanes en Kirguistán, que condujo al derrocamiento del presidente Akayev. Posteriormente, se desempeñó durante algunos meses como ministra interina de Relaciones Exteriores del entonces primer ministro, Kurmanbek Bakiev.