Er heiratete im Jahr 1263 Philippa von Bar, Tochter des Grafen Theobald II. Ein Konflikt mit seinem Onkel Johann I. von Chalon, der sich verschärfte, als Otto 1279 die von seiner Mutter geerbte Freigrafschaft Burgund (Hauptstadt: Dole) in Besitz nahm, veranlasste ihn, die Unterstützung des Königs von Frankreich zu suchen. Er nahm an den Feldzügen Philipps III. (1270–1285) gegen Sizilien und Aragon (1284–1285) teil. Sein Waffenbruder Robert II. von Artois († 1302) bot dem alternden, inzwischen verwitweten Otto die Hand seiner jungen, auch Mahaut genannten Tochter Mathilde (* wohl 1270) an. Die Hochzeit fand im Jahr 1285 statt.