Após seu mandato como professor de química no Politécnico de Riga, Wilhelm Ostwald mudou-se para Leipzig em 1887 para se tornar professor de físico-química na universidade. A fase de Leipzig de Ostwald foi muito produtiva. Além de descobrir a relação entre o grau de dissociação e a concentração da solução ácida (lei de diluição de Ostwald), ele desenvolveu um método de estudo dos processos físico-químicos baseado em sua estabilidade energética (regra dos passos de Ostwald, maturação de Ostwald). Ele escreveu muitas publicações, como o seu livro Fundamentos da Química Geral de 1889, e também lançou uma série de livros intitulados Clássicos das Ciências Exatas de Ostwald. Em 1894, ele conduziu pesquisas sobre catálise, e em 1901, juntamente com seu assistente Eberhard Brauer, ele elaborou os princípios científicos e técnicos para a produção de ácido nítrico por meio da oxidação catalítica de amônia em contatos de platina.

Em 1905, Wilhelm Ostwald tornou-se o primeiro professor de intercâmbio alemão a viajar para a América. Ele leu na Universidade de Columbia em Nova York, Universidade de Harvard em Cambridge, e Instituto de Tecnologia de Massachusetts em Boston.

Após sua aposentadoria em 1906, Ostwald viveu com sua família em sua propriedade rural conhecida como Energie em Grossbothen, quase 40 quilômetros a sudeste de Leipzig. Ele trabalhou lá como pesquisador freelance.

Em dezembro de 1909, Wilhelm Ostwald recebeu o Prêmio Nobel de Química em Estocolmo por seu trabalho em catálise.