Po svém působení jako profesor chemie na polytechnice v Rize se Wilhelm Ostwald v roce 1887 přestěhoval do Lipska, kde se stal profesorem fyzikální chemie na tamní univerzitě. Ostwaldova lipská etapa byla velmi produktivní. Kromě objevu vztahu mezi stupněm disociace a koncentrací roztoku kyseliny (Ostwaldův zákon ředění) vyvinul metodu studia fyzikálně-chemických procesů na základě jejich energetické stability (Ostwaldovo krokové pravidlo, Ostwaldovo zrání). Napsal řadu publikací, například učebnici Základy obecné chemie z roku 1889, a zahájil také řadu knih s názvem Ostwaldova klasika exaktních věd. V roce 1894 se zabýval výzkumem katalýzy a v roce 1901 spolu se svým asistentem Eberhardem Brauerem vypracoval vědecké a technické zásady výroby kyseliny dusičné katalytickou oxidací amoniaku na platinových kontaktech.

V roce 1905 se Wilhelm Ostwald stal prvním německým výměnným profesorem, který vycestoval do Ameriky. Přednášel na Kolumbijské univerzitě v New Yorku, Harvardově univerzitě v Cambridge a Massachusettském technologickém institutu v Bostonu.

Po odchodu do důchodu v roce 1906 žil Ostwald s rodinou na svém venkovském sídle známém jako Energie v Grossbothenu, téměř 40 kilometrů jihovýchodně od Lipska. Pracoval tam jako nezávislý vědecký pracovník.

V prosinci 1909 byla Wilhelmu Ostwaldovi ve Stockholmu udělena Nobelova cena za chemii za jeho práci v oblasti katalýzy.