W. studerade cellernas ämnesomsättning samt deras andning och fotosyntes. Vidare undersökte han hur tumörer bildas och växer till. Han identifierade och karakteriserade bl.a. ett järnhaltigt protein, Warburgs andningsenzym (numera benämnt cytokromoxidas). W. erhöll 1931 års Nobelpris i medicin.