В 1912 г. Штерн окончил Университет Бреслау (ныне Вроцлав). Работал с Эйнштейном в университетах Праги и Цюриха. Преподавал теоретическую физику в университетах во Франкфурте (1914-21) и Ростоке (1921-22). В 1923-33 гг. - профессор физической химии и директор лаборатории в Гамбургском университете.
    После прихода нацистов к власти в 1933г. Штерн эмигрировал в США, был профессором физики Технологического института Карнеги в Питсбурге, Пенсильвания, а с 1945г. - в Калифорнийском университете в Беркли.
   Основные исследования Штерна относятся к термодинамике, молекулярной физике и квантовой теории. Он внес также существенный вклад в экспериментальную физику. В 1920г. Штерн впервые провёл опыт по определению скоростей теплового движения молекул газа, подтвердивший правильность молекулярно-кинетической теории вещества.

    В 1922г. Штерн (вместе с В. Герлахом) разработал метод молекулярных пучков и применил его для исследования поведения атомов в магнитном поле, открыв при этом явление пространственного квантования (опыт Штерна - Герлаха). В 1933г. он впервые измерил магнитный момент протона в молекуле водорода. За эту работу он в 1943г. был удостоен Нобелевской премии по физике.
    Штерн был действительным членом Национальной академии наук США, Американской ассоциации по развитию науки, членом нескольких иностранных академий. 

Вне Нью-Йорка

- Мемориальные доски в честь Отто Штерна установлены в Гамбургском университете и в г. Жоры (Гурны Шлёнск, Польша, 1998).

- Памятный знак установлен на Бульваре Нобелевских Лауреатов в Ришон ле-Ционе, Израиль.