Окончил в 1875 году Дерптский (Тартуский) университет. Профессор Рижского политехнического училища (1882—1887), Лейпцигского университета (1887—1906). Член-корреспондент Петербургской АН (1895).
Основные научные работы Оствальда посвящены развитию теории электролитической диссоциации. Обнаружил связь электропроводности растворов кислот со степенью их электролитической диссоциации (1884). Дал способ определения основности кислот по электропроводности их растворов (1887—1988). Установил закон разбавления Оствальда (1888). Впервые описал явление Оствальдовского созревания. Предложил рассматривать реакции аналитической химии как взаимодействия между ионами (1894). Оствальд изучал также вопросы химической кинетики и катализа; разработал основы каталитического окисления аммиака. В 1909 году Оствальд стал лауреатом Нобелевской премии по химии «за изучение природы катализа и основополагающие исследования скоростей химических реакций».
Оствальд был одним из крупнейших организаторов науки своего времени. Он организовал первую в мире кафедру физической химии, основал Электрохимический институт и Германское электрохимическое общество. В 1887 году Оствальд вместе с Я. Вант-Гоффом основал «Журнал физической химии». С 1889 года он начал издание серии «Классики точных наук» (Ostwald’s Klassiker der exakten Wissenschaften) из нескольких сотен небольших книг, содержащих классические работы по математике, физике и химии. Созданная при участии Оствальда организация «Мост» (1911) ставила своей целью разворачивание международного сотрудничества в сфере библиографии и документации с целью облегчить ученым всех стран знакомство с литературой по их специальности.
Оствальд — автор «энергетической» теории, одной из разновидностей «физического» идеализма. Оствальд считал единственной реальностью энергию, рассматривал материю как форму проявления энергии.