Исследования Варбурга посвящены процессам клеточного дыхания, ферментам, окислительно-восстановительным реакциям в живой клетке. Уже в 1912 Варбург высказал предположение о существовании дыхательных ферментов, активирующих кислород. Показал, что клетки утилизируют кислород с помощью железосодержащих белков – гемопротеинов и в 1924 сообщил об открытии цитохром с-оксидазы – фермента, играющего ключевую роль в этом процессе. В 1932 вместе с У. Христианом впервые получил новый дыхательный фермент желтого цвета, названный флавином. Оказалось, что это представитель большой группы флавопротеинов – окислительных ферментов, образующих вместе с цитохрохромами дыхательную цепь. Три года спустя было выделено еще одно важное соединение – никотинамид, входящий в состав ферментов, которые участвуют в переносе водорода (дегидрогеназ) .
Среди других работ Варбурга – определение структуры ферментов, исследование брожения, гликолиза в опухолевых тканях, фотосинтеза. Ученый сконструировал аппарат для изучения процессов тканевого дыхания, брожения, ферментативных реакций (аппарат Варбурга) . Умер Варбург в (Западном) Берлине 1 августа 1970.