Willstatter obhájil svoj doktorát na Univerzite v Mníchove (1894) za jeho prácu o štruktúru kokaínu. Medzitým pracoval ako asistent Adolfa von Baeyera v Mníchove, pokračoval v skúmaní štruktúry alkaloidov a niekoľko ich syntetizoval. Objasnil štruktúru a ukázal, že krvný pigment hém nosí štrukturálnu podobnosť ako porfyrín nájdený v chlorofyle. Bol profesorom chémie na Univerzite v Berlíne a riaditeľom Wilhelmovho Inštitútu v Berlíne (1912 – 1916), kde jeho práca spočívala v odhaľovaní štruktúry mnohých pigmentov kvetov a ovocných plodov. Keď bola jeho práca prerušená vojnou, na príkaz Fritza Habera začal pracovať na vývoji plynových masiek.
Počas 20. rokoch 20. storočia pracoval na princípe enzýmových reakcií a vysvetlil, že enzýmy sú chemické látky a nie biologické organizmy. Willstatter bol Žid a tak sa v roku 1924 počas prejavov antisemitizmu v Mníchove vzdal svojej funkcie. Pokračoval vo svojej práci súkromne v Mníchove a neskôr vo Švajčiarsku.
