בשנת 1891 החל ורבורג לעבוד כמרצה אורח באוניברסיטת ברלין.
משנת 1897 החל להכין את הפוסט-דוקטורט שלו בתחום צמחי המרפא, התקבל כפרופסור לחקלאות טרופית בפקולטה ללימודי המזרח וכן ייסד עם פרופ' וולטמן את כתב העת המדעי "הצמחים הטרופיים" (Der Tropen Pflanzer), שעסק בתחום זה. ורבורג היה עורכו של כתב עת זה במהלך 24 השנים הבאות.
אחת מעבודותיו המדעיות הבולטות עסקה באגוז המוסקט.
בגלל מוצאו היהודי לא יכול היה ורבורג להתקבל כפרופסור מן המניין באוניברסיטה, ולכן כבר בשנת 1896 נמנה עם מייסדי "הוועדה לכלכלה קולוניאלית" ומונה כמנהלה. לאחר מכן עסק בנושא קידום החקלאות והכנסת צמחים נוספים כגידולי שדה במושבות הגרמניות מעבר לים.
בנוסף הקים חברות שעסקו בהקמת מטעים ושיווק של קקאו, קפה וגומי, ופרסם מונוגרפיות שעסקו במטעים אלה.
חמיו של ורבורג, גוסטב גבריאל כהן, פגש את בנימין זאב הרצל ובעקבות כך פרסם כהן ספר בשם "שאלת היהודים והעתיד" (Die Judenfrage und die Zukunft). הספר טען שתופעת האנטישמיות אינה עתידה להיעלם, ולכן הפתרון לאנטישמיות הוא הקמת מדינהליהודים בארץ ישראל. כהן נתן עותק מן הספר לוורבורג, והם שוחחו ביניהם על תוכנו. הספר והשיחות בעקבותיו עוררו בוורבורג עניין בהתיישבות יהודים בארץ ישראל ופיתוח החקלאות בה.
הרצל היה זקוק לעזרתו של ורבורג בגין ניסיונו בגידולי שדה, ובגלל הידע שלו בבוטניקה, שלו נזקק להשלמת ספרו "אלטנוילנד". הוא אף חשב שמעורבותו של ורבורג היא חשובה ומועילה לתנועה הציונית.
ב-1898 נפגשו השניים והרצל ביקש את עזרתו של ורבורג. ורבורג הביע את הסכמתו לסייע לתנועה הציונית בתחום המעשי של פיתוח החקלאות, ולא רצה להיות מעורב בתחום האידאולוגי-פוליטי.
בשנים 1899–1900 יצא ורבורג בשליחות הרצל למסע מחקר ארוך בארץ ישראל, קפריסין ואנטוליה.
בקפריסין הוא בדק את האפשרות להקמת יישובים יהודיים באזור פמגוסטה, ובאנטוליה חקר את יתרונות גידול הכותנה.
במהלך שהייתו בארץ חקר את החי והצומח, ונפגש עם זליג סוסקין, יוסף טריידל ואהרן אהרנסון – שלושתם בעלי ידע וניסיון בחקלאות בארץ – והוא עתיד היה לפעול בשיתוף עמם במיזמים רבים בעתיד.
ורבורג השתתף בקונגרס הציוני השישי ב-1903, ונבחר בו יחד עם פרנץ אופנהיימר וזליג סוסקין להקים את "הוועדה לחקר ארץ ישראל".[1]
הוועדה החלה במחקר חקלאי ורפואי, שתוצאותיו פורסמו בירחון מדעי בשם "אלטנוילנד", הקימה ועדה בינלאומית לחקר הפוטנציאל הכלכלי של אזור ים המלח והחלה ברכישת קרקעות בארץ ישראל. בקונגרס זה הועלתה "תוכנית אוגנדה" כאלטרנטיבה זמנית ליישוב ארץ ישראל. ורבורג הצטרף למשלחת שיצאה למזרח אפריקה, והציג את ממצאיה בפני הקונגרס הציוני השביעי באוגוסט 1905; הרעיון נדחה על ידי רוב משתתפי הקונגרס.
בעקבות מותו הפתאומי של הרצל ביולי 1904 נותרה התנועה הציונית ללא מנהיג, ולכן נבחרו ורבורג, מקס נורדאו ודוד וולפסון כצוות הנהגה במאי 1905. באוגוסט אותה שנה התכנס הקונגרס הציוני השביעי, ובו פירט ורבורג את מטרותיו בארץ ישראל:
הגדלת האוכלוסייה היהודית ויצירת בסיס כלכלי עבורה – בסיס זה עתיד היה לשמש להגדלת אוכלוסייה נוספת וליישובים חדשים; הקמת מוסדות חינוכיים ותרבותיים יהודיים; ניסיון לבטל את ההגבלות העות'מאניות על יהודים; המשך המאבק למען השגת צ'רטר ליהודים על ארץ ישראל.
במהלך הקונגרס נבחר וולפסון כיושב ראש ההסתדרות הציונית, וורבורג נבחר כסגנו. יוזמות של ורבורג להקמת יישובים יהודיים בארם נהריים ובפמגוסטה במימון פרטי נתקלו בהתנגדות ההנהגה הציונית, ולא יצאו לפועל. בעקבות כך התפטר ורבורג מחברותו בוועד המבצע.
בשנת 1906 היה בין מייסדי בית הספר "בצלאל" בירושלים, ומינה את בוריס שץ כמנהלו הראשון.
בשנת 1907 הפך את הוועדה לחקר ארץ ישראל לחלק מן הוועד המבצע, ובכך זכתה לנתח קבוע מסך התקציב. לאחר מכן הציע את ארתור רופין כמנהל של המשרד הארצישראלי ביפו שהוקם באותה שנה.
הוועד הפועל הציוני בווינה לא הפשיר תקציבים לפעילותו של ורבורג, ואפילו את משכורותיהם של רופין ויעקב טהון נאלץ ורבורג לשלם מכיסו. על רקע זה פנה ורבורג במכתב לוולפסון ומתח ביקורת על התנהלותה של ההנהגה הציונית; אלא שמכתב זה לא שינה את המצב.
ורבורג חיפש בעלי ברית ויצר קשר עם כמה מנהיגים ציוניים שתמכו בגישתו, "הציונות המעשית", בהם היה מנחם אוסישקין.
ב-1909 ייסד יחד עם ארתור רופין את חברת "הכשרת היישוב", שמטרתה הייתה לרכוש קרקעות בארץ ישראל ולהכשירן להתיישבות יהודית. באותה שנה סייע בהקמת "אגודת הרופאים והמדענים היהודים" שמטרתה הייתה לקדם את רמת השירותים הרפואיים בארץ וללחום במחלות כגון מלריה וגרענת, שהיו אז נפוצות בארץ ישראל.
בנוסף יזם ורבורג את הקמתה של הגימנסיה העברית בירושלים – בית הספר התיכון הראשון בעיר שבו לימדו בעברית. בגלל התעקשותו על עברית כשפ ההוראה, נאלץ לוותר על השתתפותה של חברת עזרה של יהודי גרמניה במיזם, כיון שזו רצתה ששפת הלימוד בבית הספר תהיה גרמנית.
ורבורג רכש בכספו הפרטי קרקעות ליישובים חוות כנרת ודגניה א', עוד בטרם הוקם בנק חקלאי שאמור היה לממן פעילות מעין זו.
כמו כן נרשמה על שמו באוקטובר 1909 הקרקע שעליה הוקמה המושבהמגדל.
ורבורג, בניגוד לוולקני, לא נשאר ב"מכון לחקלאות ולמדע-טבע", אלא השתלב בשנת 1928 ב"מכון לחקירת טבע א"י" שהוקם במסגרת האוניברסיטה העברית. ורבורג היה קשור באוניברסיטה העברית עוד בטרם נוסדה: הוא הקים בברלין את אחת משתי הוועדות המייעצות לתכנון האוניברסיטה (השנייה הוקמה בלונדון על ידי חיים ויצמן). לכן, אך טבעי היה שיעבור אל האוניברסיטה כאשר זו הוקמה.
בשנת 1931, כאשר פוצל המכון למחלקות לבוטניקה וזואולוגיה, נתמנה ורבורג לראש המחלקה. עם זאת, ורבורג לא שהה כמעט בארץ, וניהל את המחלקה מבחוץ, בעיקר בהקשרים הכלכליים (גיוס כספים ומינויים). כתוצאה מכך זכו שאר החוקרים במחלקה לאוטונומיה מחקרית ולחופש פעולה כמעט מושלם.
בשנים 1934–1937 במסגרת תפקידו כיושב ראש "אגודת ידידי הספרייה הירושלמית" מיסודו של היינריך לווה דאג להעברה מסודרת של אוספי הספרים של יהודים שהיגרו מגרמניה לספריות בארץ ישראל.
ורבורג נפטר בשנת 1938 בברלין. בנו זיגמונד ארגן את ההלוויה בבית העלמין בדגניה א' שם נקבר אפרם של אוטו, אשתו (שנפטרה ב-1937) ובתם גרטרוד (שנפטרה ב-1936).
ורבורג נשא לאישה את חנה לבית כהן. לשניים נולדו בת, גרטרוד, ושלושה בנים: אדגר, זיגמונד וגוסטב. הבן זיגמונד ומשפחתו עלו לארץ בשנת 1933, לאחר עליית אדולף היטלרלשלטון, והתיישבו בחיפה. הבן אדגר ואשתו פאניה, שניהם רופאים, עלו לארץ בשנת 1938 והתיישבו בקריית ענבים. הבן הצעיר, גוסטב, ומשפחתו היגרו ללונדון בשנת 1933, שם ניהל את "הספרייה הווינאית". נכדו של ורבורג ובנו של זיגמונד, גבי ורבורג, הוא פרופסור (אמריטוס) ורקטור לשעבר של אוניברסיטת חיפה.
אחד מאבותיו, יעקב שמעון ורבורג, נפטר בשנת 1636 והוכר כמנהיג מוערך של היהודים בבישופות של פאדרבורן. נכדו, יעקב שמואל ורבורג, התיישב באלטונה המבורג ונישא בשנת 1647 לרחל רייטצ'ה ביתו של שמעון ראובן גולדציהר.
ניתן לשחזר את מוצאה של משפחת ורבורג עד לשנת 1559, באותה שנה קיבל שמעון מקסל חוזה הגנה מהבישוף של רוזנות פאדרבורן בווסטפאליה בהסכמת העיר ורבורג. לאחר מותו המוקדם התיישב אביו הקשיש לוי יוספה יוסף ורבורג באלטונה המבורג כדי לטפל בנכדיו היתומים. מאז במשך כשלוש מאות שנים ישבה משפחת ורבורג באלטונה המבורג.[4]
פּאַלעסטינאַ ארבייט / רעפעראַט פון פראָפעסאָר ד"ר א’ וואַרבורג; סעפעראט אבדרוק פון דעם יודישען פאלק, וילנה: פ’ גארבער, תרס"ו.
צי טויג ארץ ישראל פאר קאָלאַניזאַציע / אָטאָ וואַרבורג, אודסה: דפוס בלעטניצקי, תרס"ח.
Die aus den deutschen Kolonien exportirten Produkte und deren Verwerthung in der Industrie: nach amtlichen Statistiken und Denkschriften, sowie nach Mittheilungen von Importeuren und Fabrikanten, Berlin: E. F. Mittler, 1896. (בגרמנית)
Zum neuen Jahr, Berlin: E. S. Mittler, [1902?]. (מהדורות נוספות: Berlin, 1908; 1912; 1921.) (בגרמנית)
Die Baumwollkultur im Gebeiete der Bagdadbahn in Verbindung mit der Kolonisation osteuropäischer Juden: ein Beitrag zur Hebung der westeuropäischen Baumwoll- und der osteuropäischen Judennot, Berlin: Pass [printer], [1904?]. (בגרמנית)
Deutsche kolonisations, wirtschafts- und kulturbestrebungen im türkischen Orient, Berlin: Orient-verlag, 1905. (בגרמנית)
Palästina-Fragen / Referat, erstattet auf dem Delegiertentag der deutschen Zionisten in Hannover, Köln: Druck von M. DuMont Schauberg, 1906. (בגרמנית)
Die Zukunft Palastinas und unsere Aufgaben daselbst: Vortrag, Wien, 1906. (בגרמנית)
Syrien als wirtschafts- und kolonisationsgebiet, Berlin: H. Paetel, 1907. (בגרמנית)
Anbau, Sorten und Ernte der Baumwolle, [S.l.]: [s.n.], [1909?]. (בגרמנית)
Die Palästinaarbeit der Zionistischen Organisation / referat von O. Warburg gehalten auf dem IX.Zionisten-Kongress in Hamburg im Jahre 1909, Berlin: Palästina-Ressort der Zionistischen Organisation, 1910. (בגרמנית)
Der Krieg und die koloniale Landwirtschaft, [S.l.]: [s.n.], [1918?]. (בגרמנית)
Die tropische Landwirtschaft im 2. und 3. Kriegsjahre, [S.l.]: [s.n.], [1918?]. (בגרמנית)
Weltvorräte, [S.l.]: [s.n.], [1919?]. (בגרמנית)
Palestine as a fruit producing country: Banana growing in Palestine, Tel-Aviv: [s.n.] typ. Amanut, 1928. (בגרמנית)
Bedeutung der Obstkulturen für die Kolonisation Palästinas, [Berlin?]: [s.n.], [1929?]. (בגרמנית)
The Physical and political conditions of Palestine: a course of lectures delivered under the auspices of the London Zionist League, session 1906: with a foreword by Herbert Bentwich. And an appendix, "The resources of Palestine", by O. Warburg, London: [s.n.], 1907 (באנגלית)
Otto Warburg und J. E. van Someren Brand (herausgegeben), Kulturpflanzen der Weltwirtschaft :unter Mitwirkung erster Fachleute, Leipzig: R. Voigtländer, [1908?]. (בגרמנית)
Theodor Herzl und Der Judenstaat / von Max Nordau, Otto Warburg, Israel Zangwill; mit einem Vorwort des Herausgebers Davis Erdtracht, Wien: Verlag "Wiedergeburt"-Hochschule für Welthandel, [1919?]. (מהדורה נוספת: Wien: Interterritorialer Verlag "Renaissance", [1920?].) (בגרמנית)
לקריאה נוספת
ספר וארבורג: קורות חייו, דברי הערכה, מכתבים נאומים ומאמרים (יצא על ידי הנהלת ההסתדרות הציונית וחברת הכשרת היישוב בא"י), הרצליה: דפוס מסדה, תש"ח. (הספר בקטלוג ULI)
