A rigai politechnikum kémiaprofesszora után Wilhelm Ostwald 1887-ben Lipcsébe költözött, ahol a fizikai kémia professzora lett. Ostwald lipcsei szakasza igen termékeny volt. Amellett, hogy felfedezte a disszociáció mértéke és a savas oldat koncentrációja közötti összefüggést (Ostwald hígítási törvénye), kidolgozott egy módszert a fizikai-kémiai folyamatok energetikai stabilitáson alapuló vizsgálatára (Ostwald lépésszabálya, Ostwald-érés). Számos publikációt írt, például az 1889-ben megjelent Fundamentals of General Chemistry (Az általános kémia alapjai) című tankönyvet, és Ostwald’s Classics of the Exact Sciences (Az egzakt tudományok klasszikusai) címmel könyvsorozatot is indított. 1894-ben katalízis kutatásokat végzett, 1901-ben pedig asszisztensével, Eberhard Brauerrel közösen kidolgozta a salétromsav előállításának tudományos és technikai alapjait platina érintkezőkön történő katalitikus ammónia-oxidációval.

1905-ben Wilhelm Ostwald volt az első német cserediák, aki Amerikába utazott. Olvasott a New York-i Columbia Egyetemen, a cambridge-i Harvard Egyetemen és a bostoni Massachusetts Institute of Technology-n.

1906-os nyugdíjazása után Ostwald családjával a Lipcsétől közel 40 kilométerre délkeletre fekvő Grossbothenben, Energie néven ismert vidéki birtokán élt. Ott szabadúszó kutatóként dolgozott.

1909 decemberében Wilhelm Ostwaldnak Stockholmban kémiai Nobel-díjat adományoztak a katalízis területén végzett munkásságáért.