Начав как кинорежиссер и сняв несколько короткометражных фильмов, в 1977 году Осии ушел в анимацию и начал работать на студии "Tatsunoko Production". Его режиссерским дебютом стал документально-образовательный анимационный фильм "Слеза в глазу дракона" [Ryu no Me no Namida] (1979).

В том же 1979 году Осии перешел работать на только что созданную "Studio Pierrot". Его первой работой на новом месте стала режиссура ТВ-сериала "Чудесное путешествие Нильса" [Nils no Fushigi na Tabi] (1979-1980), созданного по мотивам сказки Сельмы Лагерлёф.

Прославился Осии как режиссер ТВ-экранизации манги Такахаси Румико "Несносные пришельцы". Он же делал и некоторые полнометражные аниме-фильмы по мотивам этой манги.

В 1983 году он сделал на "Studio Pierrot" первый в истории Японии OAV-сериал "Даллас: Приказ уничтожить Даллас" [Dallos: Dallos Haikai Shirei].

В 1984 году Осии покинул "Studio Pierrot" и вместе с Амано Ёситакой на студии "Studio Deen" сделал странный, но очень красивый и ставший культовым OAV "Яйцо ангела" [Tenshi no Tamago].

В 1988 году Осии вместе с мангакой Юки Масами, дизайнером персонажей Такадой Акэми, меха-дизайнером Идзубути Ютакой и сценаристом Ито Кадзунори создал группу "Headgear" для разработки и создания манга- и аниме-сериала "Мобильная полиция Патлейбор" [Kidou Keisatsu Patlabor].

В том же году он стал режиссером OAV-сериала "Мобильная полиция Патлейбор" [Kidou Keisatsu Patlabor] (1988-1989) и снял по этому сериалу два полнометражных аниме (1989 и 1993 соответственно). В 1989 году начал выходить одноименный ТВ-сериал (1989-1990).

OAV-сериал и первый фильм создавались совместно "Production I.G" и "Studio Deen", ТВ-сериал - студией "Sunrise", второй фильм - "Production I.G". Именно в нем впервые появился супер-реалистичный стиль анимации.

В 1995 году он стал известен во всем мире с выходом на экраны Японии, Великобритании и США экранизации манги Сиро Масамунэ "Призрак в "Доспехе" на студии "Production I.G".

Помимо этого, Осии снял несколько фильмов с "живыми актерами", писал сценарии и романы...

В 1999 году он стал автором сценария полнометражного фантастического аниме "Волчья стая", которое снял на студии "Production I.G" его ученик - молодой режиссер Окиура Хироюки. Написан сценарий был по мотивам манги Осии и Фудзивары Камуи "Легенда о псе-волке" [Kenrou Densetsu] (1988), рассказывающей альтернативную историю послевоенной Японии.

В 2000 году по мотивам одной из повестей Осии Китакубо Хироюки создал на студии "Production I.G" полнометражный фильм "Кровь: Последний вампир".

В 2001 году на экраны Японии вышел полнометражный художественный киберпанк Осии "Авалон" [Avalon]. Снимался он, кстати, в Польше, и играли в нем польские актеры. Главную роль получила молодая актриса Малгожата Форемняк. Польша была выбрана по меркантильным соображениям - за небольшие деньги польская армия согласилась предоставить для съемок солдат и боевую технику (танки Т-72). Кроме того, Осии - поклонник творчества великого польского режиссера Анджея Вайды.

Осии - близкий друг Миядзаки, у них часто намечались совместные проекты, но ни один из них, к сожалению, не был доведен до конца.

Как режиссер, Осии - "семидесятник". Он более циничен, чем Миядзаки, и тоже привержен принципам анимационного реализма, особенно проявившимся в "Призраке в Доспехе". В фильме самым тщательным образом проработаны мельчайшие графические подробности, использовалось огромное количество реальных кино и фотосъемок местностей и предметов. Этим достигнуто доселе невиданное в аниме техническое совершенство, единодушно отмечаемое и критиками, и зрителями.