Fils d'un libraire de Lübeck, petit-fils de Ferdinand Heinrich Grautoff, bibliothécaire de Lübeck. Otto Grautoff épousa Erna Heinemann (1888-1949), elle aussi historienne d'art. Le couple eut trois filles : Barbara, Uta et Christiane. Cette dernière, actrice de cinéma, (1917-1974) épousa le dramaturge Ernst Toller (1893-1939).
En 1914, il publie son maître ouvrage, un essai sur le peintre Nicolas Poussin.
L'essai sur la vie et l'œuvre de Nicolas Poussin est publié en 1914, illustré de 160 photographies en noir et blanc. Pour tenter de donner au lecteur une idée de l'emploi de la couleur par l'artiste, Otto Grautoff s'astreignit à un travail de numérotation des couleurs de chaque tableau grâce à un papier japon transparent amovible que l'on pouvait placé au-dessus des images. Cette table des couleurs (Farben Tafel') placée à la fin des planches donne une équivalence grâce à un échantillon coloré. Le travail effectué, la finesse de l'analyse et la conscience professionnelle de cet auteur sont remarquables.
Extrait du Nicolas Poussin
Couverture du volume 1 de l'essai sur Nicolas Poussin (Georg Müller, Munich, 1914)
Papier japon, avec les numéros, au-dessus d'une reproduction du Testament d'Eudamidas
