Na zijn ambtstermijn als hoogleraar in de scheikunde aan de Polytechnische School van Riga verhuisde Wilhelm Ostwald in 1887 naar Leipzig om hoogleraar in de fysische scheikunde aan de universiteit te worden. Ostwald’s Leipziger periode was zeer productief. Hij ontdekte niet alleen het verband tussen de mate van dissociatie en de concentratie van een zuuroplossing (de verdunningswet van Ostwald), maar ontwikkelde ook een methode om fysisch-chemische processen te bestuderen op basis van hun energetische stabiliteit (Ostwalds stappenregel, Ostwald rijping). Hij schreef vele publicaties, zoals zijn leerboek Fundamentals of General Chemistry uit 1889, en startte ook een reeks boeken onder de titel Ostwald’s Classics of the Exact Sciences. In 1894 deed hij onderzoek naar katalyse, en in 1901 werkte hij samen met zijn assistent Eberhard Brauer de wetenschappelijke en technische principes uit voor de productie van salpeterzuur door middel van katalytische ammoniakoxidatie op platina contacten.

In 1905 werd Wilhelm Ostwald de eerste Duitse uitwisselingsprofessor die naar Amerika reisde. Hij doceerde aan de Columbia University in New York, de Harvard University in Cambridge en het Massachusetts Institute of Technology in Boston.

Na zijn pensionering in 1906 woonde Ostwald met zijn gezin op zijn landgoed, Energie geheten, in Grossbothen, bijna 40 kilometer ten zuidoosten van Leipzig. Hij werkte er als freelance onderzoeker.

In december 1909 kreeg Wilhelm Ostwald in Stockholm de Nobelprijs voor de Scheikunde voor zijn werk aan de katalyse.