Willstatter obhájil svoj doktorát na Univerzite v Mníchove (1894) za jeho prácu o štrukúru kokainu. Medzitým ako pracoval ako asistent Adolf von Baeyera v Mníchove, pokračoval v skúmaní štruktúry alkaloidov a niekoľko ich syntetizoval. Objasnil štruktúru a ukázal, že krvný pigment Ham 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 odhaľovaný štruktúry mnohých pigmentov kvetov a ovocných plodov. Keď bola jeho práca prerušená vojnou, na príkaz Fritza Habera začal pracovať na vývoji plynových masiek.