Diplômé de l'Université d'Arts de Tokyo, Mamoru Oshii réalise de nombreux épisodes de dessin animés au début des années 80, pour les sociétés Tatsunoko Production et Studio Pierrot. Devenu indépendant, le metteur en scène signe le dessin animé Beautiful dreamer en 1984, puis L'Oeuf de l'ange en 1985, un court métrage exclusivement destiné à la vidéo devenu depuis très populaire au Japon.

Deux ans plus tard, Mamoru Oshii se tourne pour la première fois vers les prises de vue réelles avec Lunettes rouges, pour lequel il croise la route du musicien Kenji Kawai, qui deviendra son compositeur attitré. En 1988, le réalisateur retrouve le monde de l'animation avec Patlabor, concept créé au départ pour le seul marché vidéo, dans lequel Mamoru Oshii pose les jalons de son oeuvre à venir avec sa description d'un monde futuriste et violent surveillé par une brigade de police montée sur des robots gigantesques. Le succès de la vidéo amène la création d'une série télévisée, de romans et de deux longs métrages, dont Patlabor en 1990.

C'est cependant en 1995 que le talent Mamoru Oshii, déjà très remarqué au Japon, explose aux yeux du monde entier avec le film d'animation Ghost in the Shell inspiré de la bande dessinée de Masamune Shirow. Techniquement époustouflant avec ses décors futuristes délirants et ses scènes d'action explosives, le film affiche surtout un scénario complexe, brassant des thèmes aussi vastes que la liberté ou l'humanité. Récompensé en 1997 au Festival du film fantastique de Porto, Ghost in the shell devient très vite un classique de la "jap'animation", dont les thèmes ont inspiré jusqu'à Andy et Larry Wachowski pour Matrix.

En 1998, Mamoru Oshii signe le scénario de Jin-Roh, la brigade des loups d'Hiroyuki Okiura. Fable humaniste et poétique, le dessin animé reprend nombre de thèmes développés dans Ghost in the shell, comme la lutte libertaire au sein d'une société totalitaire en déliquescence ou la peur de la déshumanisation du citoyen.

Producteur délégué du moyen métrage d'horreur Blood : The Last vampire en 2000, qui marque une nouvelle évolution dans l'association entre l'animation traditionnelle et les images de synthèse, Mamoru Oshii poursuit son investigation des nouvelles technologies avec Avalon, son troisième film en prises de vue réelles, tourné en Pologne et retouché à plus de 75% par ordinateur. A nouveau, le réalisateur signe un oeuvre complexe, aux nombreuses ramifications, visuellement très étudiée et dans la parfaite continuité de sa filmographie. Très remarqué lors de sa présentation hors compétition au Festival de Cannes 2001, Avalon sort en mars 2002 dans les salles françaises. L'année 2004 sera peut-être l'année de la consécration pour Mamoru Oshii, et, bien plus encore, celui de la "jap'animation": avec le très attendu Innocence - Ghost in the shell, la suite du premier volet, c'est en effet la première fois dans l'histoire du Festival de Cannes qu'un film d'animation est en compétition officielle.