Nach dem Besuch eines humanistischen Gymnasiums in München studierte Groth hier von 1895 bis 1900 Volkswirtschaft und Rechtswissenschaften u. a. bei Lujo Brentano (1844–1931) und Max Weber (1864–1920). Anschließend als Journalist tätig, wurde er Redakteur beim Stuttgarter „Beobachter“, einem Blatt der liberal-demokratischen Fortschrittlichen Volkspartei, seit 1902 war er Chefredakteur der „Ulmer Zeitung“. 1906 wechselte er zur „Frankfurter Zeitung“, für die er bis zu seinem Berufsverbot 1934 auf Grundlage des nationalsozialistischen Schriftleitergesetzes als Korrespondent und Redakteur tätig war.

Zugleich wissenschaftlich aktiv, trat Groth 1911 als Mitherausgeber des „Politisch-wirtschaftlichen Konversations-Lexikons“ hervor und wurde 1913 mit der in engem Austausch mit Weber entstandenen Studie „Die politische Presse Württembergs“ an der Universität Tübingen bei dem Wirtschaftswissenschaftler Robert Wilbrandt (1875–1954) zum Dr. rer. pol. promoviert. Groth griff in dieser Arbeit zentrale Fragestellungen einer empirischen Pressesoziologie auf, die Weber 1910 auf dem ersten deutschen Soziologentag vorgestellt hatte, und setzte als einer der Ersten eine systematische Analyse von Zeitungsinhalten um, indem er die Stoffverteilung und -zusammensetzung der „Frankfurter Zeitung“ und neun weiterer württembergischer Zeitungen untersuchte.

Bekanntheit erlangte Groth v. a. durch sein akribisches Wirken als zeitungskundlicher Privatforscher. Beginnend im Ersten Weltkrieg, sammelte er über mehr als zwölf Jahre lang empirisches Material für das enzyklopädische Handbuch „Die Zeitung. Ein System der Zeitungskunde“ (4 Bde., 1928–1930), in dem er das bis dahin zerstreute Fachwissen methodisch zusammentrug und die Zeitungskunde als neu entstehendes Forschungsgebiet systematisierte. 1931 initiierten Karl d’Ester (1881–1960) und Walther Heide (geb. 1894), die Herausgeber der zentralen Fachzeitschrift „Zeitungswissenschaft“, eine Enquete unter Fachvertretern und Journalisten, um Groths Pionierleistung kritisch zu würdigen.

Infolge des Verbots jeglicher journalistischer und publizistischer Tätigkeit zog sich Groth 1934 in die Innere Emigration zurück und war bis 1945 als Privatforscher tätig. Unmittelbar nach Ende des Zweiten Weltkriegs engagierte er sich in München für den Neuaufbau des Journalismus unter demokratischen Vorzeichen, u. a. als Herausgeber der „Münchner Schriften“ und als Organisator von Vorbildungskursen für Journalisten, zu deren Absolventen u. a. der spätere Sportreporter Harry Valérien (1923–2012) zählte. Darüber hinaus trat Groth 1946 als Gründer und erster Vorsitzender des Berufsverbands Bayerischer Journalisten hervor.

1948 veröffentlichte Groth die Studie „Die Geschichte der deutschen Zeitungswissenschaft“, in der er als Erster die lange Fachtradition der theoretischen und methodischen Auseinandersetzung mit öffentlicher Meinung, Öffentlichkeit und Zeitung systematisch nachzeichnete. Diese Arbeit bildete die Grundlage zu seiner von 1960 bis 1972 in sieben Bänden publizierten Studie „Die unerkannte Kulturmacht. Grundlegung der Zeitungswissenschaft (Periodik)“. In diesem sprachlich und terminologisch eigenwilligen Werk, mit dem er sich von der zeitgenössischen Publizistikwissenschaft abgrenzte, konzipierte Groth Journalismus und Massenkommunikation als komplexen medialen und sozialen Prozess, den er als „Vermittlung“ bezeichnete. Medien verstand er als gesellschaftlich eingebettete soziokulturelle Institutionen mit je eigenen Logiken und Produktionsregeln. Seine Analysen konzentrierten sich dabei auf im Druck erscheinende Periodika; Fernsehen und Rundfunk spielen in Groths Werk kaum eine Rolle.

Während Groths Theorie der Vermittlung in der deutschen Kommunikationswissenschaft nur wenig Resonanz fand, wird diese seit der 1966 veröffentlichten Studie „La ciencia periodística de Otto Groth“ von Ángel Faus Belau (1936–2020) in der lateinamerikanischen Kommunikationswissenschaft intensiv rezipiert.