Już jako niespełna siedemnastolatka zadebiutowała na igrzyskach olimpijskich w Sydney i doszła tam do finału wyścigu na 100 m stylem motylkowym, zajmując w nim wysoką piątą pozycję. Wielki talent rozwinął się bardzo szybko – rok później była już na tym dystansie wicemistrzynią świata.

W kolejnych latach nadeszły następne sukcesy na „jej” dystansach – 100 i 200 m motylkiem: mistrzostwo Europy, mistrzostwo świata, złoto i dwa srebrne medale na igrzyskach w Atenach (tam zdobyła dodatkowo medal na 400 m stylem dowolnym). W 2005 roku podczas mistrzostw świata w Montrealu wygrała swój koronny dystans 200 m stylem motylkowym, ustanawiając po raz drugi w karierze rekord świata (2:05,61 min) oraz zdobyła brązowy medal na dystansie dwukrotnie krótszym.

Niedługo po tej imprezie, 1 października 2005 roku, w Miączynie koło Płońska wydarzyła się fatalna w skutkach tragedia. Prowadząca samochód pływaczka spowodowała wypadek drogowy, w którym zginął jej dziewiętnastoletni brat, Szymon. Otylii Jędrzejczak, która doznała poważnych obrażeń, postawiono zarzut nieumyślnego spowodowania wypadku ze skutkiem śmiertelnym. Ostatecznie została skazana na dziewięć miesięcy ograniczenia wolności i prac na cele społeczne w wymiarze 30 godzin.

Po kilkumiesięcznej przerwie w normalnych treningach udało jej się przygotować do mistrzostw Europy w Budapeszcie w 2006 roku, gdzie sięgnęła po dwa złote i jeden srebrny medal. Rok później w Melbourne dwukrotnie stała na podium mistrzostw świata (wicemistrzostwo świata na 400 m stylem dowolnym, brąz na 200 m stylem motylkowym). Osiągnięcia te spowodowały, że w latach 2004-2006 trzy razy z rzędu była wybierana najlepszym sportowcem Polski przez czytelników „Przeglądu Sportowego”.

Do końca wierzyła w medal na igrzyskach olimpijskich w Pekinie. Niestety udział w nich zakończył się niepowodzeniem. Tylko na 200 m stylem motylkowym była bliska sukcesu, zajmując czwartą pozycję. W pozostałych startach nie miała już jednak najmniejszych szans w walce z najlepszymi i została sklasyfikowana na 9. (400 m stylem dowolnym) i 17. miejscu (100 m stylem motylkowym).

Otylia Jędrzejczak po pekińskich niepowodzeniach definitywnie  nie zrezygnowała z uprawiania sportu i postanowiła przygotować się do olimpiady w Londynie’2012. Wzięła w niej udział, ale wyniki były znów dalekie od oczekiwań wybitnej niegdyś pływaczki. Po zajęciu 16. miejsca w wyścigu, na którym się najbardziej koncentrowała (200 m stylem dowolnym) nie kryła głębokiego rozczarowania: „Naprawdę nie wiem, co się stało. Mówię szczerze, po prostu nie mam pojęcia. Rozgrzewka nie wskazywała na to, co zrobiłam. W stu procentach zrealizowałam też plan treningowy (…)

Wynik nie jest adekwatny do mojej pracy. Gdyby mi ktoś przed startem powiedział, że wypadnę tak słabo to bym go wyśmiała. Taki rezultat osiągałam, gdy byłam w ciężkim treningu, bardzo, bardzo zmęczona” - mówiła ze łzami w oczach Jędrzejczak na łamach portalu gwizdek24.se.pl. 

W wyścigu na 100 m stylem dowolnym była jeszcze dalej – dopiero 25. Dwa lata później, w czerwcu 2014 roku podczas rozpoczęcia pływackich mistrzostw Polski w Olsztynie, Otylia Jędrzejczak ogłosiła zakończenie kariery sportowej.