Dal 1931 al 1953 fu direttore del "Kaiser Wilhelm Institute", ora Max Planck Institute, per la fisiologia cellulare a Berlino. Studiò a fondo il metabolismo dei tumori, in particolar modo le caratteristiche della loro respirazione cellulare. Per le sue scoperte sulla natura e sul meccanismo di azione del cosiddetto "enzima giallo (di Warburg)", vinse nel 1931 il Premio Nobel per la medicina. Pubblicò gran parte dei risultati dei suoi lavori nei testi "Il metabolismo dei tumori" e "Nuovi metodi di fisiologia cellulare".