Siguiendo el ejemplo de Carl Linnaeus, Willan intentó una clasificación taxonómica de las enfermedades de la piel, describiendo el impétigo, el lupus, la psoriasis, la esclerodermia, la ictiosis, la sicosis y el pénfigo. El retrato de Willan se reprodujo en la portada del British Journal of Dermatology durante muchos años. El trabajo conjunto de Willan y Bateman supuso el primer intento mundial de clasificar las enfermedades de la piel desde un punto de vista anatómico.

En 1790, Willan recibió la Medalla de Oro Fothergill de la Sociedad Médica de Londres por su clasificación de las enfermedades de la piel. Ese mismo año publicó un relato titulado «A Remarkable Case of Abstinence» (Un caso notable de abstinencia), en el que se detallaba el caso de un joven inglés que murió en 1786 después de ayunar durante 78 días, uno de los primeros relatos sobre trastornos alimentarios en varones.

Una copia de uno de sus trabajos fue traducida al alemán y publicada en Breslau en 1799. La versión inglesa se ha perdido.

En 1798, Willan describió la enfermedad profesional psoriasis difusa, que afecta a las manos y brazos de los panaderos, y en 1799 describió por primera vez la erupción exantemática de la infancia conocida como eritema infeccioso.

El libro de Willan de 1808, On Cutaneous Diseases, es un hito en la historia de la dermatología y en la ilustración médica y contiene el primer uso de la palabra «lupus» para describir la tuberculosis cutánea.

Su estudio del agua sulfurosa en Croft-on-Tees, publicado en 1782 en Londres, ha sido reeditado recientemente.