Willstatter menerima gelar doktornya dari Universitas Munich (1894) untuk karya pada struktur kokain. Selama menjabat asisten Adolf von Baeyer di Munich, ia melanjutkan penelitian struktur alkaloid dan sejumlah darinya dibuatnya menjadi satu.
Pada 1905, ia diberikan jabatan guru besar di Universitas Zurich dan mulai bekerja tentang klorofil. Ia menguraikan strukturnya dan menunjukkan bahwa pigmen heme darah melahirkan kemiripan struktur dengan senyawa porfirin yang ditemukan di klorofil. Ia merupakan guru besar kimia di Universitas Berlin dan direktur Institut Kaiser Wilhelm di Berlin (1912-1916), di mana pengamatannya mengungkap struktur banyak pigmen bunga dan buah. Saat pekerjaannya terganggu oleh perang, ia memalingkan pehatiannya pada pengembangan topeng gas.
Pada 1916, Willstatter menggantikan Baeyer di Munich. Selama 1920-an, ia mengamati mekanisme reaksi enzim dan berbuat banyak untuk menentukan bahwa enzim merupakan zat kimia dan bukan organisme biologi. Pandangannya bahwa enzim ialah nonprotein secara luas bertahan sampai disangkal pada 1930. Menjadi Yahudi, pada 1924 ia berhenti dalam kedudukannya di Munich dalam protes terhadap tekanan antisemit. Ia melanjutkan pekerjaannya sendirian, pertama di Munich dan, dari 1939, di Swiss.
