Otto Warburg, figlio del fisico Emil Warburg, nel 1901 riceve l'Abitur umanistico presso Friedrichswerderschen Gymnasium di Berlino. Conclude gli studi in scienze naturali con specializzazione in chimica alla Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, nel 1903 perfeziona gli studi di chimica alla Friedrich-Wilhelms-Universität di Berlino (oggi Humboldt-Universität). Il 14 dicembre 1903 supera il Verbandsexamen con Siegmund Gabriel come primo accademico nella facoltà di chimica. Nel 1905 conclude gli studi in medicina a Berlino, Monaco di Baviera e Heidelberg. Nel 1906 viene promosso Dottore a Berlino da Emil Fischer Dr. phil., nel 1911 a Heidelberg come Dr. med. e diventa medico clinico assistente con Ludolf von Krehl. Un anno più tardi viene abilitato (Habilitation) per la facoltà di fisiologia di Heidelberg.