22-åringen behandlas nu på sjukhus efter att flygningen med honom landade i Ohio på tisdag.
Mr Warmbier dömdes till 15 års hårt arbete för att ha försökt stjäla en propagandaskylt från ett hotell.
Han fick ett sömnmedel efter att ha blivit sjuk efter rättegången förra året och vaknade inte upp, sade Nordkorea.
Han behandlas nu vid University of Cincinnati Medical Center.
Hur hårt är fängelse i Nordkorea?
"Vi vill att världen ska veta hur vi och vår son har brutaliserats och terroriserats av pariaregimen", sade hans föräldrar, Fred och Cindy.
F.d. amerikansk ambassadör och guvernör i New Mexico Bill Richardson, som tidigare tjänstgjort som särskilt sändebud i Nordkorea och under 2016 försökte förhandla om frigivningen av studenten, sade Warmbiers hade uppdaterat honom på sin sons villkor.
"I tydliga ordalag måste Nordkorea förklara orsakerna till hans koma", sade Richardson.
BBC:s Stephen Evans i Seoul säger att det återstår att se om Warmbiers sjukdom är ett direkt resultat av brutalitet i fängelset.
I så fall kan det finnas påtryckningar på president Trump att vidta åtgärder mot Kim Jong-uns regim, säger han.
Otto Warmbier är en ekonomistudent från University of Virginia, ursprungligen från Cincinnati, Ohio.
Han var i Nordkorea som turist med Young Pioneer Tours när han greps den 2 januari 2016.
Han verkade känslosam vid en nyhetskonferens en månad senare, där han tårfullt erkände att han försökte ta skylten som en "trofi" för en amerikansk kyrka och tillade: "Syftet med min uppgift var att skada det koreanska folkets motivation och arbetsmoral."
Utländska fångar i Nordkorea har tidigare tagit tillbaka bekännelser och sagt att de gjordes under press.
Efter en kort rättegång den 16 mars dömdes Warmbier till 15 års fängelse för brott mot staten.
Hans föräldrar berättade för CNN i början av maj att de inte hade haft någon kontakt med sin son på mer än ett år.
I ett uttalande i tisdags sade herr och fru Warmbier: "Tyvärr ligger han i koma och vi har fått veta att han har varit i det tillståndet sedan mars 2016. Vi fick veta det för bara en vecka sedan."
De citerades av Washington Post som säger att de hade fått höra Otto hade ådragit sig botulism, en sällsynt sjukdom som orsakar förlamning, strax efter hans rättegång i mars 2016.
Han fick ett sömnmedel och hade legat i koma sedan dess, sade tidningen.
Utrikesminister Rex Tillerson nämnde inte Mr Warmbiers tillstånd i ett uttalande och sade bara att han var på väg hem för att återförenas med sin familj och inte skulle göra några ytterligare kommentarer, av respekt för familjens privatliv.
Det rapporteras att det finns tre andra amerikanska medborgare i Nordkorea. De är:
USA har tidigare anklagat Nordkorea för att fängsla sina medborgare för att använda dem som brickor i förhandlingarna om sitt kärnvapenprogram.
Arresteringarna har kommit i en tid av ökad spänning mellan Nordkorea och USA och dess regionala grannar.
Mr Warmbiers release kommer timmar efter den amerikanska basketstjärnan Dennis Rodman anlände till Nordkorea.
Rodman är vän med den nordkoreanska ledaren Kim Jong-un och har gjort flera besök i landet under de senaste åren.
Det fanns en del spekulationer om att han skulle kunna vädja till de amerikanska fångarna, men på väg till Nordkorea sa han till reportrar "mitt syfte är faktiskt att se om jag kan fortsätta att föra sport till Nordkorea".
Föräldrarna till Otto Warmbier, den amerikanska studenten som ligger i koma efter att ha befriats denna vecka av Nordkorea, säger att han blev "brutaliserad" av en "pariaregim".