Studium der Chemie in Freiburg und Berlin. Promotion 1906 bei Emil Fischer. Anschließend bis 1911 Medizinstudium in Heidelberg bei Ludolf von Krehl. 1913-1930 Abteilungsleiter am Kaiser-Wilhelm-Institut für Biologie in Berlin-Dahlem. 1930-1970 Direktor des Kaiser-Wilhelm-/Max-Planck-Instituts für Zellphysiologie in Berlin-Dahlem.

Warburg gehört zu den Begründern der modernen Biochemie. Er hat sich unter Verwendung neuer Methoden mit den drei Grundphänomenen des Lebens: Atmung, Gärung und Photosynthese beschäftigt und überall fundamentale Erkenntnisse erzielt. Er hat die Funktion des Eisens bei der Zellatmung klargestellt, er hat die Wirkungsgruppen Wasserstoff übertragender Coenzyme: Flavin und Nikotinsäureamid entdeckt und ihre Funktion in den chemischen Prozessen der Atmung und Gärung aufgeklärt. Schließlich konnte er auch den Prozeß der Umwandlung der chemischen Energie des Gärungsprozesses in diejenige der Lebensvorgänge aufklären, was nach Warburg im Stoffwechsel der Tumoren eine besondere Rolle spielt. Während normale Gewebe ihren Energiebedarf unter Sauerstoff durch die Atmung decken, leben die Tumoren großenteils auf Kosten der anaeroben Spaltung des Zuckers zu Milchsäure.

1931 Nobelpreis für Medizin.