Отто Варбург был учеником выдающегося учёного Эрнста Фишера. Уже в возрасте 23 лет Отто защитил докторскую диссертацию по химии, после чего продолжил обучение у Людольфа фон Крэля в Гейдельберге и в 1911 году заслужил степень доктора медицины.
Когда началась первая мировая война, Варбург записался добровольцем в армию и непродолжительное время прослужил в чине офицера кавалерии вплоть до своего ранения. За заслуги во время Первой мировой войны Варбург награжден Железным крестом. Ближе к концу войны, когда её исход был очевиден, Альберт Эйнштейн, друг отца Отто, написал по просьбе друзей письмо Отто, в котором просил его вернуться в академию, так как потерять такой талант в науке было бы трагедией. Варбург прислушался к его увещеваниям и вернулся в Берлинскую лабораторию на должность профессора. На протяжении 50 лет своей научной деятельности Отто Варбург проводил комплексные исследования по фотосинтезу, изучению рака и ферментов клеточных окислительных реакций. Им разработаны аналитические методы, которые включают манометрию, используемую для измерения давления газов, спектрофотометрию, методику выполнения тканевых срезов для определения потребления кислорода без механического разрушения клеток. Исследования Варбурга были посвящены процессам клеточного дыхания, ферментам, окислительно-восстановительным реакциям в активной клетке.
Одним из самых весомых вкладов в науку, за который Отто Варбург был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине в 1931 году с формулировкой «за открытие природы и функций «дыхательных ферментов», стало открытие фермента с-цитохромоксидазы. В своей работе он ингибировал дыхание в суспензии дрожжей при помощи CO, а затем получал спектры поглощения, снимая ингибирование путём облучения когерентным пучком света с разной длиной волны. Из полученных данных следовало, что ингибируемый фермент – гемопротеин, в котором гем находится в комплексе с CO. Варбург связал новый, неизвестный белок с функцией клеточного дыхания и назвал его Atmungsferment или «дыхательный фермент».
В 1932 году Варбург в первый раз получил новый дыхательный фермент желтого цвета, названный флавином. Оказалось, что это агент большой группы флавопротеинов – окислительных ферментов, образующих совместно с цитохрохромами дыхательную цепочку. Через три года было выделено ещё одно важное соединение – никотинамид, входящий в состав ферментов, которые участвуют в переносе водорода. Ученый сконструировал аппарат для изучения процессов тканевого дыхания, брожения, ферментативных реакций (аппарат Варбурга).
