リガ工科大学化学教授を経て、1887年にライプツィヒに移り、同大学物理化学教授となる。 オストワルトのライプツィヒ時代は非常に充実したものであった。 解離の程度と酸溶液の濃度との関係（オストワルドの希釈則）を発見したほか、物理化学的過程をエネルギー的安定性に基づいて研究する方法（オストワルドのステップ則、オストワルド熟成法）を開発したのである。 1889年の教科書『一般化学の基礎』など多くの著作があり、『オストワルドの厳密科学の古典』というシリーズも立ち上げた。 1894年には触媒作用の研究を行い、1901年には助手のエーバハルト・ブラウアーとともに、白金接点上での触媒的アンモニア酸化による硝酸製造の科学技術的原理を解明した

1905年にヴィルヘルム・オストワルトはドイツ初のアメリカ行き交換教授となった。

1905年、ヴィルヘルム・オストワルトは、ドイツ人としては初めてアメリカに渡った交換教授となり、ニューヨークのコロンビア大学、ケンブリッジのハーバード大学、ボストンのマサチューセッツ工科大学で教鞭をとった。 そこでフリーランスの研究者として働いていた。

1909年12月、ヴィルヘルム・オストワルトは、触媒作用に関する研究で、ストックホルムでノーベル化学賞を受賞した。