Po kadencji profesora chemii na Politechnice w Rydze, Wilhelm Ostwald przeniósł się w 1887 roku do Lipska, gdzie został profesorem chemii fizycznej na tamtejszym uniwersytecie. Lipski okres pracy Ostwalda był bardzo owocny. Oprócz odkrycia zależności między stopniem dysocjacji a stężeniem roztworu kwasu (prawo rozcieńczeń Ostwalda), opracował metodę badania procesów fizykochemicznych na podstawie ich stabilności energetycznej (reguła stopni Ostwalda, dojrzewanie Ostwalda). Napisał wiele publikacji, m.in. w 1889 r. podręcznik Fundamentals of General Chemistry, a także zapoczątkował serię książek Ostwald’s Classics of the Exact Sciences. W 1894 r. prowadził badania nad katalizą, a w 1901 r. wraz ze swoim asystentem Eberhardem Brauerem opracował naukowe i techniczne zasady produkcji kwasu azotowego za pomocą katalitycznego utleniania amoniaku na stykach platynowych.

W 1905 r. Wilhelm Ostwald został pierwszym niemieckim profesorem z wymiany, który wyjechał do Ameryki. Czytał na Columbia University w Nowym Jorku, Harvard University w Cambridge i Massachusetts Institute of Technology w Bostonie.

Po przejściu na emeryturę w 1906 roku Ostwald mieszkał z rodziną w swojej posiadłości wiejskiej znanej jako Energie w Grossbothen, prawie 40 kilometrów na południowy wschód od Lipska. Pracował tam jako niezależny badacz.

W grudniu 1909 roku Wilhelm Ostwald otrzymał w Sztokholmie Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii za pracę nad katalizą.