Als Sohn von Friedrich Georg Wilhelm von Struve, der die Nikolai-Hauptsternwarte in Pulkowa errichtet hat, arbeitete er als dessen Gehilfe von 1839 ab an diesem neuen großen Institut, dem er volle 50 Jahre angehörte, seit 1858 als Stellvertreter des erkrankten Vaters und von 1862, ab als Direktor bis zu seiner Pensionierung 1889.

Otto Struve hat im Laufe von 40 Jahren ein Material von Doppelsternmessungen zusammengetragen, das an Reichtum und Homogenität seinesgleichen sucht und das ihn zur unbestrittenen Autorität auf diesem Gebiet machte. 

Schon 1850 verlieh ihm die Royal Astronomical Society in London ihre Goldene Medaille, die Petersburger Akademie der Wissenschaften wählte ihn zu ihrem Mitglied.