Tras su paso por la cátedra de química de la Politécnica de Riga, Wilhelm Ostwald se trasladó a Leipzig en 1887 para ser profesor de química física en la universidad. La etapa de Ostwald en Leipzig fue muy productiva. Además de descubrir la relación entre el grado de disociación y la concentración de la solución ácida (ley de dilución de Ostwald), desarrolló un método de estudio de los procesos fisicoquímicos basado en su estabilidad energética (regla de los pasos de Ostwald, maduración de Ostwald). Escribió muchas publicaciones, como su libro de texto de 1889 Fundamentos de la química general, y también lanzó una serie de libros titulada Clásicos de Ostwald de las ciencias exactas. En 1894, realizó investigaciones sobre la catálisis, y en 1901, junto con su ayudante Eberhard Brauer, elaboró los principios científicos y técnicos para la producción de ácido nítrico mediante la oxidación catalítica del amoníaco en contactos de platino.

En 1905, Wilhelm Ostwald se convirtió en el primer profesor alemán de intercambio que viajó a América. Realizó cursos en la Universidad de Columbia en Nueva York, en la Universidad de Harvard en Cambridge y en el Instituto Tecnológico de Massachusetts en Boston.

Después de su jubilación en 1906, Ostwald vivió con su familia en su finca conocida como Energie en Grossbothen, a casi 40 kilómetros al sureste de Leipzig. Allí trabajó como investigador independiente.

En diciembre de 1909, Wilhelm Ostwald recibió el Premio Nobel de Química en Estocolmo por sus trabajos sobre catálisis.