Otto Sonnleitner wurde am 20. November 1906 in Würzburg geboren. Sein Vater, Ludwig Sonnleitner, ein Bildhauer, war um 1900 von Landau an der Isar nach Würzburg gezogen. Vor Ausbruch des Ersten Weltkriegs hatte Ludwig dort eine eigene Werkstatt gegründet.
Nach seinem Abschluss an der Oberrealschule in Würzburg besuchte Sonnleitner die Polytechnische Hochschule seiner Heimatstadt, wo er das Zeichnen erlernte. 1925, nach Abschluss seiner Lehre, zog er nach München. Dort wurde er von Valentin Kraus, dem späteren Leiter der klösterlichen Bildhauerwerkstätten von Münsterschwarzach, gefördert.
In München nahm Sonnleitner kleinere, schlecht bezahlte Aufträge an, unter anderem die Anfertigung von Inschriften für das Kriegerdenkmal im Hofgarten. Er begann sein Studium an der Akademie der bildenden Künste, zunächst bei Karl Killer, dann bei Fritz Behn. Bei Behn studierte er bis 1931, bevor er Meisterschüler des Bildhauers Josef Wackerle wurde. 1937 schloss er sein Studium ab und eröffnete im darauffolgenden Jahr seine eigene Werkstatt in München.
Ab 1935 erhielt Sonnleitner Aufträge aus Würzburg, darunter ein Relief für die Universitäts-Frauenklinik. Später schuf er ein Werk für die Goethe-Schule in Würzburg und stellte seine Arbeiten zwischen 1937 und 1944 auf fünf Großen Deutschen Kunstausstellungen in München aus.
1947, nach dem Tod seines Vaters, kehrte Sonnleitner in seine Heimatstadt zurück und übernahm dessen Werkstatt. Er erhielt weitere Aufträge in und um Würzburg. Eines seiner letzten Werke war die Büste von Jean Paul für Walhalla, die er 1973 schuf.