En 1918 fue designado Profesor en el Kaiser Wilhelm Institute para Biología de Berlín-Dahlem. Desde 1931 fue Director del Wilhelm Kaiser Institute para la Fisiología de la Célula, allí, recibió una donación de la Fundación Rockefeller al Kaiser Wilhelm Society, fundada el año anterior.
Las tempranas investigaciones de Warburg con Fischer fueron en el campo del polipéptido. En Heidelberg, trabajó sobre el proceso de oxidación. Su interés especial en la investigación de procesos vitales por métodos físicos y químicos condujo a intentos de relacionar estos procesos con fenómenos del mundo inorgánico. Sus métodos implicaron estudios detallados sobre la asimilación del dióxido de carbono en plantas, el metabolismo de tumores, y el componente químico del oxígeno que transfiere el fermento respiratorio. Warburg nunca fue profesor, y estaba siempre agradecido por la oportunidad de dedicar todo su tiempo a la investigación científica. Sus investigaciones posteriores en el Kaiser Wilhelm Institute han conducido al descubrimiento de que el flavins y la nicotinamida eran los grupos activos de las enzimas que transfieren hidrógeno. En 1931 fue galardonado con el Premio Nobel de Fisiología o Medicina, por su "descubrimiento de la naturaleza y el modo de acción de la enzima respiratoria".
Fue director, entre 1931 y 1953, del Kaiser Wilhelm Institute (actual Instituto Max Planck) de fisiología celular en Berlín. Investigó el metabolismo de los tumores y la respiración celular, particularmente de las células cancerosas. Escribió y editó El Metabolismo de los tumores (1931) y Nuevos métodos de fisiología celular (1962).
En sus últimos años añadió a los problemas de su Instituto, la quimioterapeutica del cáncer, y el mecanismo de la acción del rayo X. En la fotosíntesis, descubrió junto con Dean Burk la reacción de I-quantum que parte la COMPANIA 2, activado por la respiración. Warburg escribió en 1968: “pronto recibiré un segundo premio Nobel, porque de aquí a dos o tres años habré solucionado el problema del cáncer”.
Otto Warburg fue Miembro Extranjero de la Sociedad Real de Londres (1934) y miembro de las Academias de Berlín, Halle, Copenhague, Roma, e India. Le otorgaron l'Ordre pour le Mérite, y la Gran Cruz de la República Federal de Alemania. En 1965 fue nombrado Doctor Honoris Causa en la Universidad de Oxford.
Permaneció soltero hasta su muerte. Estuvo interesado en el deporte equino como un pasatiempo.
En el imagen Otto Warburg:
