Studium der Medizin in Freiburg und Berlin, dann, durch Emil Fischer angeregt, Chemiestudium in Freiburg. Promotion 1899 bei Heinrich Kiliani. 1903 Habilitation. 1913-1915 Professor für Angewandte medizinische Chemie in Innsbruck. 1915-1944 Professor für Chemie an der Universität Göttingen (Nachfolger von O. Wallach).

Windaus begann 1901 breit angelegte Untersuchungen an Cholesterin und verwandten Sterinen, voraussehend, daß Cholesterin der Vorläufer anderer Naturstoffe sein müsse. Es gelang ihm dann auch, die Verbindung zwischen Cholesterin und den Gallensäuren auf chemischem Wege herzustellen, das antirachitische Vitamin D aus Erosterin, dem Sterin der Hefe, auf photochemischem Weg zu gewinnen und seine chemische Struktur aufzuklären. Ertragreiche Untersuchungen über Imidazolderivate führten u.a. zur Strukturermittlung des Eiweißbausteins Histidin und zur Entdeckung von Histamin, einem Hormon von großer physiologischer Bedeutung. Nach Isolierung des antineuritischen Vitamin B1 aus Hefe wesentliche Beiträge zu dessen Strukturermittlung. Aus der Schule von Windaus sind zahlreiche bedeutende Forscher hervorgegangen.

1928 Nobelpreis für Chemie "für seine Verdienste um die Erforschung der Konstitution der Sterine und ihres Zusammenhangs mit Vitaminen".