東京都立町田高等学校卒業後、東京造形大学グラフィックデザイン科に入学。1年後にテキスタイルデザイン科に転科し、機織や染め物などを学ぶ。卒業後、オンワード樫山でテキスタイルデザイナーを経験後、転職しておとぎの国に企画担当として入社。東京支店の企画部廃止で専門店向け営業職を経験。

その後、タツノコプロに入社。 当初はアルバイト同然の低待遇だったが、配属された美術部で背景を描いていたところ、美術部長の中村光毅の提案で『科学忍者隊ガッチャマン』からは敵メカなどを担当し、高い評価を得る。以後、メカデザイン専門になる。デザイン時には木型で玩具を試作し、造形や変形・合体の各種機構の立体での検証を自ら行った

『破裏拳ポリマー』『宇宙の騎士テッカマン』を担当した後、タツノコプロを退社し、中村光毅と「デザインオフィス・メカマン」を設立。『ゴワッパー5ゴーダム』で初のメインメカのデザインを担当。『タイムボカンシリーズ』、『ブロッカー軍団IVマシーンブラスター』、『合身戦隊メカンダーロボ』、『無敵超人ザンボット3』を経て、1978年にデザインオフィス・メカマンを退社してフリーに。

以降、『無敵鋼人ダイターン3』からサンライズ作品を手掛けるようになり、『機動戦士ガンダム』でモビルスーツのデザインを担当、作品の人気とメカニックのプラモデルの大ブームによりその名を広め、「メカニックデザイナー」という職種を認知させた。また版権イラストを手掛ける際にモビルスーツの機体に実在の兵器同様のマーキングやウェザリングを入れる手法を編み出し、いわゆる「リアルタイプ」として人気を博した。ガンダム以降もサンライズ制作の『勇者シリーズ』をはじめとするロボットアニメのメカデザインを手掛けた。

1947年　東京都生まれ
1981年　NHKの子供向け情報番組『600こちら情報部』のアニメメカデザイン特集に出演
2009年　東京都八王子市の八王子市夢美術館において回顧展を開催
2012年　東京都稲城市の稲城市立ｉプラザにて大河原邦男作品展を開催
2013年　兵庫県神戸市の兵庫県立美術館にて｢超・大河原邦男展―レジェンド・オブ・メカデザイン―｣を開催