ב־1897 התחתן ורבורג, נגד רצון הוריו, עם הציירת והפסלת מרי הרץ, בתו של בעל אניות וסנטור מהמבורג וחבר במועצת הכנסייה האוונגלית-לותרנית בהמבורג. לזוג נולדו שלושה ילדים. ב־1898 הם עברו להתגורר בפירנצה. לחוג החברתי שלהם בפירנצה השתייכו הפסל אדולף פון הילדברנד, הסופרת איזולדה קורץ (Isolde Kurz), הארכיטקט האנגלי הרברט הורן. גם המומחה הגדול ביותר בזמנו לרנסאנס ברנרד ברנסון שהה אז בפירנצה. שיחות עם אנשי רוח ואוהבי אמנות המריצו את ורבורג, מצד אחד אבל מצד שני הוא דחה את האסתטציזם בקשר לאמנות. העניין שלו באמנות לא היה באמנות כשלעצמה כי אם כדרך להבין את ביטוייו של השכל. כבר בתחילת דרכו הוא דחה את הנטייה ללמוד רק את הצדדים הפורמליים של תולדות האמנות. לדעתו לימוד זה יוצר אסתטיקן מוכשר. דעה זו גרמה לנתק בינו לבין גישה הידען שהתגשמה אצל ברנרד ברנסון". תפיסה זו בוטאה גם בהערותיו וכתביו הפולמוסיים נגד ההתלהבות מן האמנות ונגד פרשנותו של יעקב בורקהרדט של האדרת הרנסאנס כמרומם האינדיבידואליות, כביכול, ברוח האדם העליון של ניטשה.
בזמן שבתו בפירנצה חקר ורבורג את אורח החיים ומצבם הכלכלי של אמני הרנסאנס ובמיוחד את המצב הכלכלי בפירנצה בתחילת תקופת הרנסאנס ואת בעיות המעבר מימי הביניים לרנסאנס המוקדם. תוצאה נוספת של שהותו בפירנצה הייתה סדרת הרצאות על לאונרדו דה וינצ'י שנישאה ב־1899 במשכן לאמנויות (Kunsthalle) בהמבורג. בהרצאותיו אלה הוא דן, בין השאר, במחקרו של לאונרדו את ספרי החיות ועל ויכוחיו נגד תורת הפרופורציה הקלאסית על פי ויטרוביוס. אף על פי שהרצאותיו על לאונרדו נחלו הצלחה הוא לא המשיך, כמקובל, בסקירת התפתחותו של האמן. העניין שלו כהיסטוריון היה בכוחות שאינם אישיים כי אם בטעם ואופנה שהאדם צריך לעמוד מולם.
חזרה להמבורג.
ב־1902 חזרה המשפחה להמבורג וורבורג הציג את תוצאות מחקריו בפירנצה בסדרת הרצאות. בתחילה הוא לא הסכים לקבל משרת פרופסור או תפקיד אקדמי אחר. הוא סירב למשרת פרופסור באוניברסיטת האלה בשנת 1912. הוא היה חבר במועצת המנהלים של המוזאון לאתנולוגיה וקידם, יחד עם אחיו מקס, את הקמת המוסד המדעי של המבורג (Hamburger wissenschaftlichen Stiftung) (1907 ופעל לקידום חידושה של אוניברסיטת המבורג שהוקמה, לבסוף ב־1919. שם הוא הסכים לקבל משרת פרופסור. כבר באותה תקופה נראו סימנים ראשונים של מחלת הנפש שלו שהשפיעה על מחקריו והוראתו.
אחרי שחזר מהסנטוריום בקרויצלינגן הוא הרצה בין 1925 ו- 1929 כמה הרצאות וסמינרים שהיו, פחות או יותר, בחוג פרטי ונערכו בספרייה שלו.
אמונה בכוכבים ואסטרונומיה.
בהרצאתו על לוח שנה מאת המדפיס מהמבורג שטפן ארנדס (Steffen Arndes) שפורסם ב־1519 שהיו בו חיתוכי אלים בעלי שמות של כוכבי לכת. ב-1908 התחיל ורבורג לחקור את הדימויים האסטרולוגיים. כמו ברשימותיו על פולחן הנחש של ההופי ובהרצאתו בקרויצלינגן הוא הוקסם מההשפעה של האסטרולוגיה ושל הסמלים שלה ובמתח שבין הפחד מדמונים אצל בני האדם ואיך הם מטפלים בו ביצירת תמונות וסמלים מצד אחד ובפיתוח רציונליות שנובעת מאותו פחד בדיוק. הוא התעניין איך מדע ופסבדו-מדע השפיעו על הידע ועל הביטוי הוויזואלי שלו.
בנוסף לאסטרולוגיה חקר ורבורג את תפיסת העולם הבא בעולם העתיק. הוא חקר את האסטרונומיה אצל היוונים שעדיין לא הפרידה בין אסטרונומיה לאסטרולוגיה ועסק בשורשי האסטרונומיה היוונית במזרח ובמצרים העתיקה. הוא הניח שהעם ראה בגרמי השמיים יצורים מיתולוגיים כחלק מדחף רציונלי ומתמטי לנקוב בשמות לכוכבים ולצורות הכוכבים בשמות של אלים. משתמשים בשמות האלה עד היום באסטרונומיה והם מוצגים כסמלים בעלי עוצמה. הוא חקר את ההתפתחות והשינוי בימי הביניים (ורבורג כינה אותם העת העתיקה המאוחרת), כולל העיסוק בימי הביניים בכישוף וברפואה ובתחיית צורתם ויופיים של האלים האולימפיים העתיקים ברנסאנס האיטלקי ובכך שהאסטרולוגיה נשארה עד היום.
רק חלק מתוצאות מחקריו על אסטרולוגיה פורסמו. פורסם המאמר "על האלים הפלנטריים בלוח שנה בגרמנית תחתית מ-1519 (Über Planetengötterbilder im niederdeutschen Kalender von 1519), 1910, תיאור אסטרונומי של גרמי השמיים בחדר תשמישי הקדושה העתיק בסן לורנצו ונבואות של עובדי אלילים במילים ובתמונות בזמנו של לותר (Eine astronomische Himmelsdarstellung in der alten Sakristei von San Lorenzo und Heidnischantike Weissagungen in Wort und Bild zu Luthers Zeiten), 1921. הוא ראה בלותר חלוץ של ההשכלה, דמות הרואית הנלחמת עבור השכלה ושחרור של האמונה מאזיקי הדוגמה. ב־1927 פרסם עוד מאמר על האסטרולוגיה המזרחית (Orientalisierende Astrologie).
מחלת הנפש.
בהיותו בן שש חלה ורבורג קשות בטיפוס ונשאר מאותו זמן חלוש מבחינה גופנית ונפשית. הוא נטה מילדותו למצבי רוח ולמתח נפשי. הוא הגיב מהר ובהפרזה. מחלה קשה של אמו בשנת 1874 הגבירה את חולשתו הנפשית. לעיתים קרובות היה משותק מדיכאונות במהלך עבודתו המדעית. בנובמבר 1918 כשחשש מפני המצב הכלכלי הקשה שאחרי מלחמת העולם הראשונה ומפני המצב הפוליטי הכאוטי ודאג לגורל משפחתו פרצה אצלו פסיכוזה והוא איבד את השליטה על עצמו ועל מצבו ומשפחתו אשפזה אותו במרפאה פסיכיאטרית.
אחרי שמצבו לא השתפר במשך השנתיים הבאות העבירו אותו ב־16 באפריל 1921 לסנטוריום בלוו (Sanatorium Bellevue) בניהולו של הפסיכיאטר לודוויג בינסוונגר (Ludwig Binswanger). בינסוונגר תיעד ברשימות הרפואיות שלו שהיו לוורבורג הזיות, הוא אלים כלפי הצוות, היו לו פוביות וריטואלים היגייניים אובססיביים. חייו נעו בין טירוף וצלילות. בימים בהם היה צלול היה מקבל ביקורים של עובדיו ושל חברים. ב-1922 החל עוזרו פריץ זקסל (Fritz Saxl) שוב בעבודה מדעית עם ורבורג בתקווה שעל ידי כך יתייצב מצב רוחו. לבקשת המשפחה הובא פסיכיאטר נוסף, אמיל קרפלין (Emil Kraepelin) לשם מתן חוות דעת נוספת והוא שינה את הדיאגנוזה מסכיזופרניה למניה דפרסיה. אבחנה זו עוררה תקווה לריפוי ולשחרור מבית החולים. לפי הערכת רופאיו היה ורבורג מודע תמיד למחלתו. כבר בזמן בו חי בפירנצה סבל חוסר יציבות מנטלית ומפחדים כרוניים. הוא פנה פעם לאורחים שהיו אצלו וביקש שיטפלו באשתו כשיאושפז. הוא תיאר את עצמו כסכיזופרן חסר ריפוי. גם בזמן מחלתו היו לו תקופות של צלילות שכלית ופרודוקטיביות יצירתית.
סימן ראשון של התייצבות מנטלית היה העיבוד של רשימותיו על שבט ההופי. יחד עם זקסל הוא הכין הרצאה על "פולחן הנחש" אצל ההופי אותה נשא ב-21 באפריל 1923 בפני החולים והרופאים בבלוו. בשנה שלאחר מכן ניהל שיחות אינטנסיביות עם הפילוסוף ארנסט קסירר על היכולת של השיטה שלו לתאר את ההיסטוריה מנקודת מבט פסיכולוגית-תרבותית. ורבורג ראה בקסירר וזקסל שותפים מביני עניין ורגישים לשיחה יחד. אלה יחד עם היחס הידידותי ונותן האמון של משפחת בינסוונגר והסביבה המיוחדת בסנטוריום אפשרו לו תהליך של החלמה.
מנמוסינה.
אחרי השחרור מבית ההחלמה החל ורבורג בעבודה על אטלס התמונות שלו מנמוסינה (מנמוסינה במיתולוגיה היוונית היא אלת הזיכרון השומרת על האמנות). השם המלא היה מנמוסינה, סדרת תמונות למחקר תפקיד ערכים מביעים מותנים מראש בעולם העתיק להדגמה של חיים משמעותיים באמנות של הרנסאנס האירופי".
ורבורג נפטר ב־26 באוקטובר 1929 מהתקף לב ואי אפשר היה להשלים את המנמוסינה.
העבודה לא הושלמה והלוחות המקוריים לא נשמרו. ייתכן והם אבדו בזמן שהספרייה עברה ללונדון. ניתן לקבל רושם מהלוחות המקוריים מצילום שצילם זקסל ב-1933. שיחזור של האטלס נעשה רק ב־1993 ו- 1994 בווינה ובהמבורג. פורסמה מהדורה מוערת כחלק מהוצאה שלמה של כתבי ורבורג על ידי מרטין ורנקה (Martin Warnke) עם ביאור מפורט. האם השיחזור תואם לכוונותיו של ורבורג, גם המו"ל שואל את השאלה הזו.
מעמדו של ורבורג בתולדות המחקר.
אבי ורבורג היה אחד מהאישים המשפיעים ביותר במדעי הרוח במאה ה-19 ובתחילת המאה ה-20. אף על פי שהייתה הערכה רבה אליו בעולם האקדמי בזמנו, הוא נשכח בתקופת השלטון הנאצי ובשנים הראשונות שאחרי המלחמה. קבלת עבודתו עוכבה על ידי העובדה שרק מעטים מכתביו הודפסו. לעיתים פורסמו רק עיבודים על ידי עובדיו ורק בגרמנית. בשל הפרפקציוניזם שלו הוא לא פרסם אף ספר. רוב עזבונו המדעי מורכב מהערות, כרטיסי קטלוג, 35,000 מכתבים, כתבי יד לא גמורים ויומן ספרייה שנוהל מ-1926 עד 1929. העוזרת שלו גרטרוד בינג אמרה: "בכל כתביו יש סימני חורבן: פרויקטים שלא התבצעו, הבטחות למאמרים שלא נכתבו ורעיונות שמעולם לא פותחו" העברת הספרייה ועובדיה ב-1933 ללונדון פרסמה אותה בקרב חוקרי האמנות שהייתה אז דיסציפלינה צעירה בארצות דוברות האנגלית וקידמה הקמת קתדרות בנושא זה באוניברסיטאות העילית שם.