Studium in München. 1894 Promotion bei Adolf v. Baeyer (1895). 1902 a. o. Professor an der Universität München. 1905-1912 Professor an der E. T. H. Zürich, 1912-1916 Abteilungsleiter am neuen Kaiser-Wilhelm-Institut für Chemie in Berlin-Dahlem. 1916 Professor der Chemie an der Universität München (Nachfolger von A. von Baeyer). 1924 Rücktritt aus Protest gegen antisemitische Strömungen bei Berufungsfragen. Fortsetzung der wissenschaftlichen Arbeit in aller Stille. 1938 Emigration in die Schweiz auf Grund der politischen Verhältnisse in Deutschland.

Willstätter studierte zunächst Struktur und chemische Synthese von Pflanzenalkaloiden wie Atropin und Cocain. Seine Arbeiten über cyclische Kohlenwasserstoffe (u. a. Synthese des Cyclooctatetraens), über Chinone und chinoide Farbstoffe führten ihn zur Beschäftigung mit den Blatt- und Blütenfarbstoffen, deren Konstitution er teilweise oder vollständig aufklären konnte. Zuletzt ausführliche Arbeiten über Enzyme.

Autobiographie "Aus meinem Leben. Von Arbeit, Muße und Freunden".

1915 Nobelpreis für Chemie "für seine Untersuchungen von Farbstoffen im Pflanzenreich, besonders Chlorophyll".