Nach dem Vorbild von Carl Linnaeus versuchte Willan eine taxonomische Klassifizierung von Hautkrankheiten und beschrieb Impetigo, Lupus, Psoriasis, Sklerodermie, Ichthyose, Sykose und Pemphigus. Willans Porträt war viele Jahre lang auf der Titelseite des British Journal of Dermatology abgebildet. Die Zusammenarbeit von Willan und Bateman war der weltweit erste Versuch, Hautkrankheiten vom anatomischen Standpunkt aus zu klassifizieren.

Im Jahr 1790 erhielt Willan für seine Klassifizierung von Hautkrankheiten die Fothergill Gold Medal der Medical Society of London. Im selben Jahr veröffentlichte er einen Bericht mit dem Titel „A Remarkable Case of Abstinence“ (Ein bemerkenswerter Fall von Abstinenz), in dem er den Fall eines jungen Engländers schilderte, der 1786 nach 78 Tagen Fasten starb – einer der frühesten Berichte über Essstörungen bei Männern.

Eine Kopie eines seiner Werke wurde ins Deutsche übersetzt und 1799 in Breslau veröffentlicht. Die englische Version ist verloren gegangen.

1798 beschrieb Willan die Berufskrankheit Psoriasis diffusa, die die Hände und Arme von Bäckern befällt, und 1799 beschrieb er erstmals den exanthematischen Ausschlag im Kindesalter, der als Erythema infectiosum bekannt ist.

Willans 1808 erschienenes Buch „On Cutaneous Diseases“ ist ein Meilenstein in der Geschichte der Dermatologie und der medizinischen Illustration und enthält die erste Verwendung des Wortes „Lupus“ zur Beschreibung der Hauttuberkulose.

Seine 1782 in London veröffentlichte Studie über das Schwefelwasser in Croft-on-Tees wurde kürzlich neu aufgelegt.