La carriera di Ai Otomo inizia a livello scolastico con la SendaiIkuei High School; in questi anni partecipa a diverse competizioni con le nazionali giovanili giapponesi, vincendo nel 1999 il campionato mondiale pre-juniores. Nel 2000 inizia la carriera professionistica con le NEC Red Rockets, con le quali si aggiudica due volte il campionato giapponese. Nel 2001 debutta in nazionale maggiore al Montreux Volley Masters e classificandosi al terzo posto alla Grand Champions Cup. Nel 2005 si classifica al terzo posto anche al campionato asiatico e oceaniano.