W 1943 otrzymał obywatelstwo amerykańskie.
W październiku 1944 nagrodę Nobla z fizyki za rok 1943 przyznano Sternowi w uznaniu jego wkładu w rozwój metod badań nad oraz za odkrycie momentu magnetycznego protonu. Nagrodę odebrał 10 grudnia 1944.
Wyróżnienia thumb|220px|Tablica upamiętniająca Otto Sterna i Waltera Gerlacha na ścianie budynku Frankfurt des Physikalischen Vereins we Frankfurcie nad Menem Stern otrzymał w roku 1930 tytuł LL.D. (Legum Doctor) University of California, Berkeley. Był członkiem National Academy of Sciences, American Association for the Advancement of Science, oraz członkiem zagranicznym .
Upamiętnienie w Polsce thumb|220px|Pamiątkowa tablica na frontowej ścianie Instytutu Fizyki Uniwersytetu Hamburskiego 18 września 1997 r. podczas sesji wyjazdowej 34. Zjazdu Fizyków Polskich została odsłonięta tablica pamiątkowa, poświęcona Ottonowi Sternowi. Tablicę odsłonili zagraniczni goście – nobliści: Herbert A. Hauptman (Nagroda Nobla z chemii 1985 r.) i Rudolf Mössbauer (Nagroda Nobla z fizyki 1961 r.), a także polski fizyk prof. dr hab. Jerzy Warczewski oraz przedstawiciele miasta Żory Zygmunt Łukaszczyk i Ryszard Ostrowski. Tablica odlana z mosiądzu według projektu Stanisława Szwarca wisi na ścianie frontowej budynku Urzędu Miasta Żory, a także w budynku Miejskiej Biblioteki Publicznej w Żorach.