Otylia zaczęła pływać w wieku sześciu lat, a jej pierwszym trenerem był Marian Syposz. Obecnie trenerem Otylii jest Paweł Słomiński i podczas pracy z nim odniosła największe sukcesy. W 2001 roku zdobyła srebro MŚ na 100 m stylem motylkowym i złoto ME na 200 m stylem motylkowym. Rok później była druga na ME w Berlinie na 100 m i pierwsza na 200 m stylem motylkowym. 4 sierpnia 2002 r. w finale na 200 m ustanowiła rekord świata - 2.05,78. Została tym samym pierwszą polską rekordzistką świata w pływaniu. W 2003 roku zdobyła złoto na 200 m i srebro na 100 m na MŚ w Barcelonie. Na mistrzostwach Europy 2004 w Madrycie zwyciężyła na 200 m i była trzecia na 100 m stylem motylkowym. Do Jędrzejczak należy 13 rekordów Polski: na 200 i 400 m stylem dowolnym, na 100 i 200 m stylem motylkowym, na 200 i 400 m stylem zmiennym (na krótkim basenie) oraz na 200, 400 i 800 m stylem dowolnym, na 50, 100 i 200 m stylem motylkowym, na 200 m stylem zmiennym (na długim basenie). W sierpniu 2004 r. z wynikiem 2.06,05 zdobyła złoty medal igrzysk olimpijskich w Atenach w pływaniu na 200 m stylem motylkowym. Ostatnie jej trofeum to złoty medal pływackich mistrzostw świata w Montrealu zdobyty 29 lipca 2005 r. na 200 m stylem motylkowym i nowy rekord świata na tym dystansie (który w sierpniu 2006 roku straciła na rzecz Australijki Jessicah Schipper). Trzy dni wcześniej w finale na 100 m delfinem zawodniczka AZS AWF Warszawa wywalczyła brąz.

1 października 2005 r. doznała obrażeń w wypadku samochodowym w Miączynie koło Płońska. Jej 19-letni brat Szymon zginął na miejscu. W grudniu 2005 r. prokuratura w Płońsku postawiła jej zarzut nieumyślnego spowodowania wypadku ze skutkiem śmiertelnym. W marcu 2006 r. Jędrzejczak powróciła do sportu po długiej przerwie, wygrywając na 200 m stylem motylkowym w trójmeczu Polska-Czechy-Ukraina. W pływackich mistrzostwach Europy w sierpniu 2006 roku zdobyła srebrny medal w sztafecie na dystansie 4x200 m stylem dowolnym oraz złoto na 200 m stylem dowolnym i na 200 metrów stylem motylkowym.

3 stycznia 2006 roku Do Sądu Rejonowego w Płońsku trafił akt oskarżenia wobec mistrzyni olimpijskiej o nieumyślne spowodowanie wypadku ze skutkiem śmiertelnym. 22 marca 2007 roku sąd skazał Jędrzejczak, na 9 miesięcy ograniczenia wolności i prac na cele społeczne w wymiarze 30 godzin miesięcznie. Orzekł też zakaz prowadzenia pojazdów przez 1 rok.

Kilka dni później Otylia Jędrzejczak, poprawiając czasem 4.04,23 rekord Polski, zdobyła podczas mistrzostw świata w Melbourne srebrny medal na 400 m stylem dowolnym.