Nach seinem Medizinstudium wurde O. 1866 in Berlin mit einer preisgekrönten Arbeit promoviert. 1866/67 legte er seine Staatsexamina ab und kam als Assistent an die Pathologie der Charité. O. untersuchte in jener Zeit epidemiologische, bakteriologische und pathologische Probleme und entdeckte 1868 die Spirochäte Borrelia recurrentis – den Erreger des Rückfallfiebers. Es war dies die erste Entdeckung eines spezifischen Krankheitserregers. Am 26. 2. 1873 trat O. mit dem Thema „Die Entdeckung von fadenförmigen Gebilden im Blut von Rückfallfieberkranken“ vor die von Bernhard von Langenbeck geleitete Berliner Medizinische Gesellschaft. Nach seiner auf zwei Jahre befristeten Assistentenzeit an der Charité mußte O. die Einrichtung verlassen. Er ließ sich in Berlin als praktischer Arzt nieder. Während der Choleraepidemie in der Hauptstadt bewahrte er die Proben zur Untersuchung des Erregers in seinem Schlafzimmer auf und infizierte sich. O. starb so als Opfer seines ärztlichen Berufes an der Cholera. 1875 wurde der von ihm entdeckte Krankheitserreger nach ihm Borrelia, recurrentis Obermeieri benannt. O. wohnte von 1869 bis 1873 in der Unterbaumstraße 7. Sein Grab befindet sich auf dem Dorotheenstädtischen Friedhof II. Der Obermeierweg in Spandau ist nach ihm benannt.
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