В 1784 году начал военную службу в Нашебургском пехотном полку в качестве сержанта. 24 июня 1788 года получил чин прапорщика и был зачислен во 2-й канонирский полк. В 1787—1791 участвовал в войне с Османской империей, в частности в штурме Очакова. Затем сражался с польскими войсками в ходе русско-польской войны 1792 года и кампании 1794 года. В 1797 году Отто Бухгольц был переведён в 10-й артиллерийский батальон. 4 ноября 1799 года он получил чин полковника.