W tym samym roku zastąpił Obersteinera na stanowisku dyrektora Instytutu Neurologicznego Uniwersytetu Wiedeńskiego, którym kierował przez następne 19 lat, do 1938 roku. Jego uczniami byli m.in. Eugen Pollak, Ernst A. Spiegel, Alexander Spitzer, Anton Weichselbaum i Georg N. Koskinas.
W 1938 po przejęciu władzy przez nazistów był zmuszony do emigracji. Razem z przyjacielem Josefem Gerstmannem opuścił Wiedeń i przez Wielką Brytanię dotarł do Nowego Jorku. Tam podjął pracę najpierw w Mount Sinai Hospital u Josepha Globusa, a potem w Columbia University's College of Physicians and Surgeons.
Zmarł na raka w 1948 roku w wieku 74 lat.
Dorobek naukowy Opisał postać stwardnienia rozsianego, określaną jako choroba Marburga lub postacią Marburga stwardnienia rozsianego. Otto Marburg nie ma nic wspólnego z toponimiczną nazwą wirusa Marburg, nazwanego tak od niemieckiego miasta.
W 1904 opublikował atlas mikroskopowo-topograficzny ośrodkowego układu nerwowego człowieka. Za życia autora ukazały się jeszcze dwie jego edycje (1910, 1927).