Efter att ha varit professor i kemi vid Rigas tekniska högskola flyttade Wilhelm Ostwald till Leipzig 1887 för att bli professor i fysikalisk kemi vid universitetet. Ostwalds Leipzigfas var mycket produktiv. Förutom att han upptäckte sambandet mellan dissociationsgraden och koncentrationen av en sur lösning (Ostwalds utspädningslag), utvecklade han en metod för att studera fysikalisk-kemiska processer utifrån deras energimässiga stabilitet (Ostwalds stegregel, Ostwalds mognad). Han skrev många publikationer, t.ex. sin lärobok Fundamentals of General Chemistry från 1889, och lanserade även en serie böcker med titeln Ostwald’s Classics of the Exact Sciences (Ostwalds klassiker inom de exakta vetenskaperna). År 1894 forskade han om katalys och 1901 utarbetade han tillsammans med sin assistent Eberhard Brauer de vetenskapliga och tekniska principerna för framställning av salpetersyra genom katalytisk ammoniakoxidation på platinkontakter.

År 1905 blev Wilhelm Ostwald den första tyska utbytesprofessorn som reste till Amerika. Han läste vid Columbia University i New York, Harvard University i Cambridge och Massachusetts Institute of Technology i Boston.

Efter sin pensionering 1906 bodde Ostwald med sin familj på sin lantgård, känd som Energie, i Grossbothen, nästan 40 kilometer sydost om Leipzig. Han arbetade där som frilansforskare.

I december 1909 tilldelades Wilhelm Ostwald Nobelpriset i kemi i Stockholm för sitt arbete med katalys.