او برای شرکت‌های مختلفی کار می‌کرد و در سراسر آلمان غربی برای فروش قهوه، چای، برنج و شکر سفر می‌کرد. با این حال او به کارهای مهندسی به‌ویژه مسائل مربوط به موتور علاقه‌مند بود. امری که موجب شد به‌صورتی خودآموخته کار روی موتورها را آغاز کند و در سال ۱۸۶۱ اولین موتور بنزینی خود را ساخت. در ادامه تلاش کرد تا آن را بهبود بخشد و نتیجه آن ساخت اولین موتورهای درون سوز در سال ۱۸۷۶ بود. موتورهای درون‌سوز یا موتورهای احتراق داخلی موتورهایی هستند که در آنها مخلوط سوخت و اکسیدکننده (هوا یا اکسیژن) در داخل محفظه بسته‌ای واکنش داده و محترق می‌شوند. بر اثر احتراق گازهای داغ با دما و فشار بالا حاصل می‌شوند و بر اثر انبساط این گازها قطعات متحرک موتور به حرکت درآمده و کار انجام می‌دهند. بعد از آن اتو تلاش کرد انواع مختلفی از موتورهای درون سوز را اختراع کند که نتیجه آن ساخت موتور چهارزمانه (۱۸۷۸) است که متداول‌ترین نوع موتور در وسایل نقلیه امروزی به‌شمار می‌رود و موتور دوزمانه اتو بود. ساخت موتورهای چهارزمانه پیش از اتو نیز مطرح شده بود ولی او توانست به این ایده جامه عمل بپوشاند. نیکلاوس اوگوست اتو پس از تلاش‌های مستمر در این رابطه که تحولی قابل توجه در صنعت و حمل‌ونقل به‌وجود آورد در ۲۶ ژانویه ۱۸۹۱ در شهر کلن آلمان از دنیا رفت.