1854 auf Ritschls Rat Habilitation in Bonn, 1856 a. o. Professor in Breslau, wo er Theodor Mommsen begegnete, 1858 o. Professor in Freiburg/Br., im selben Jahre in Wien (Rektor 1873), von wo er auf erneuten Ruf nach Berlin ging (Rektor 1886).

Vahlens Hauptwerk ist die Bearbeitung der Fragmente des Dichters Ennius, die aus einer von Ritschl gestellten Preisaufgabe hervorging, 1903 eine erweiterte Neuauflage. Zahlreiche Arbeiten betreffen so gut wie alle bedeutenden römischen Autoren, die meisten in: Gesammelte philologische Schriften I 1911 (aus der Wiener Zeit), II 1923 (aus der Berliner Zeit), dazu 2 Bde. Opuscula Academica 1907/08. Reiche Beschäftigung mit Aristoteles, bes. Rhetorik und Poetik (3. Aufl. der Ausgabe 1883). In der Wiener Akademie begründete er das Corpus scriptorum ecclesiasticorum Latinorum.

In der vielfach hemmungslosen Konjekturenfreudigkeit seiner Zeit vertrat er den Vorrang interpretatorischer Besinnung auf die Überlieferung.