Als Professor der Chemie in Zürich, Berlin und München machte er sich um die Erforschung organischer Verbindungen, insbesondere der Alkaloide, der Enzyme und des Chlorophylls verdient. Er schrieb die "Untersuchungen über Enzyme", arbeitete über Assimilation, verfaßte grundlegende Arbeiten über das Chlorophyll und wies die chemische Verwandtschaft zwischen Blattgrün und Blutfarbstoff nach. Als erstem gelang ihm die synthetische Darstellung von Atropin, Kokain und Chinolinen. Während sein Freund Fritz Haber die Giftgasanwendung im Krieg erprobte, entwickelte Willstätter Filter für Gasmasken. Für seine Forschungsergebnisse über das Chlorophyll wurde er 1915 mit dem Nobelpreis für Chemie geehrt. Willstätter war jüdischer Herkunft. Aus Protest gegen die Diffamierung jüdischer Wissenschaftler legte er 1925 seine Professur in München nieder. Er emigrierte 1939 in die Schweiz.