Er wurde am 2. 9. (21. 8.) 1853 als zweiter Sohn eines Böttchermeisters in Riga geboren. Nach Besuch des Realgymnasiums nahm er ab 1872 das Studium der Chemie² an der Universität Dorpat auf. Unter dem Einfluss von C. Schmidt , J. Lemberg und A. v. Oettingen gelangte er in den Überschneidungsbereich zwischen Chemie und Physik, zu dessen Ausbau als eigenständige Disziplin er später grundsätzlich beitrug.

Seine wissenschaftliche Laufbahn begann Ostwald 1875 noch in Dorpat als Assistent am physikalischen Kabinett bei A. v. Oettingen (Kandidatenarbeit 1875), wurde 1877 Magister der Chemie, 1878 Privatdozent der Chemie und promovierte im gleichen Jahr mit volum- und optisch-chemischen Studien zum Dr. der Chemie. Im Jahre 1880 heiratete er Helene v. Reyher ; aus der Ehe gingen fünf Kinder hervor; der Sohn Wolfgang wurde ein bedeutender Kolloidchemiker. Noch in Dorpat begann auch Ostwalds pädagogische Laufbahn als Lehrer an der Realschule, bereits damals erfolgreich auf Grund der eigenen Begeisterung für den Gegenstand des Unterrichts. Im gleichen Jahr (1880) wurde er Assistent am chemischen Institut bei C. Schmidt, mit dessen Empfehlung er 1882 als Ordinarius für Chemie an das Polytechnikum zu Riga gelangte.   
 

Von Anfang an rasch und viel publizierend, wurde Ostwald bald auch international bekannt , dazu erteilte er einen Unterricht, der die Studentenzahl rasch von 121 auf etwa 300 ansteigen ließ, es entstand eine wissenschaftlichen Schule, ein Neubau wurde erforderlich. Um zu dessen Vorbereitung die wichtigsten Laboratorien in Deutschland kennen zu lernen sowie zwecks Beschaffung spezieller Chemikalien unternahm Ostwald mehrere Informationsreisen, die erste schon 1882/83 . Das Jahr 1884 brachte die Bekanntschaft mit Svante Arrhenius und dessen Ideen über die elektrische Leitfähigkeit von Säuren; seitdem datierte ihre gemeinsame Arbeit.

1885 erschien der 1. Band von Ostwalds fundamentalem Lehrbuch der allgemeinen Chemie (2. Band 1887)³ , worin das vorhandene physikalisch-chemische Wissen akkumuliert, systematisiert und mit mathematischem Rüstzeug versehen wurde. 1887 erfolgte Ostwalds Berufung an die Universität Leipzig auf den seit 1871 bestehenden und bislang einzigen Lehrstuhl für physikalische Chemie. Ebenfalls 1887 gründete er die "Zeitschrift für physikalische Chemie", Mitherausgeber wurde der zu jener Zeit bereits unangefochten führende Physikochemiker Jacobus Henricus van´t Hoff.

Ostwald, van't Hoff und Arrhenius bildeten den Kern des „wilden Heeres der Ionier„, um die bislang umstrittene Ionentheorie durchzusetzen. Zum weiteren Ausbau des vor allem von van´t Hoff und Arrhenius gelegten Fundaments der physikalischen Chemie trug Ostwald mit dem „Verdünnungssatz„ von 1888 über die Veränderung der Äquivalentleitfähigkeit schwacher verdünnter Elektrolyte bei, mit der „Stufenregel„ von 1897 zur Darstellung instabiler Zwischenprodukte von Reaktionen auf dem Wege zum thermodynamisch stabilen Endprodukt, später (1900) mit der sogenannten „Ostwaldreifung„ bei der Untersuchung der Ausbildung grobkörniger Niederschläge.

Ostwalds umfangreiche Publizistik stabilisierte das neue Fachgebiet; so erschien 1889 der „Grundriß der allgemeinen Chemie„, und ebenfalls 1889 eröffnete er die bis heute existierende Reihe „Ostwalds Klassiker der exakten Naturwissenschaften„, womit Schlüsselpublikationen der Vergangenheit zugänglich wurden. Sein „Hand- und Hilfsbuch zur Ausführung physiko-chemischer Messungen„ von 1893 diente dem Laboratoriumsunterricht. Seit 1893 verwendete er den Begriff des Perpetuum mobile zweiter Art. Sein Buch „Die wissenschaftlichen Grundlagen der analytischen Chemie„ von 1894 führte die elektrolytische Theorie in die analytische Chemie ein. Das Werk „Elektrochemie. Ihre Geschichte und Lehre„ ( 1896 ) stellte das Heranreifen des Fachgebietes dar.  

Ab 1894 begann ein Institutsneubau, denn auch in Leipzig hatte sich um Ostwald eine wissenschaftliche Schule par excellance entfaltet, und die Studentenzahl war gestiegen (Einweihung des Instituts 1898).  

Um der physikalischen Chemie, speziell der sich rasant entfaltenden Elektrochemie eine organisatorische Heimat zu geben wirkte Ostwald 1894 bei der Gründung der Deutschen Elektrochemischen Gesellschaft (ab 1902 Deutsche Bunsen -Gesellschaft) sowie der „Zeitschrift für Elektrotechnik und Elektrochemie„ aktiv mit und   übernahm auch den Vorsitz der Gesellschaft. An seinem Institut organisierte er ein elektrochemisches Praktikum.

Mitte der 90er Jahre stellten sich Erschöpfungszustände ein, von denen er sich jedoch gut erholen konnte.

1895 hielt Ostwald auf der Lübecker Naturforscherversammlung den Vortrag „Die Überwindung des wissenschaftlichen Materialismus„ und stellte seine Lehre von der Energie (Energetik) vor, die ihm Kritik und Ablehnung seitens der Physiker einbrachte. Ostwald hatte statt des Atombegriffs das Primat der Energie vor der stofflichen Materie postuliert (erst um 1908 ließ er sich zum Atom bekehren). Aus der Thermodynamik zog er sich zurück, aber baute seine energetischen Ansichten später unter naturphilosophischen und erkenntnistheoretischen Aspekten aus.

Um 1897/98 engagierte sich Ostwald gegen die Einführung eines chemischen Staatsexamens und für die Forschungs- und Lehrautonomie der Universitäten, es wurden der Verband der Laboratoriumsvorstände gegründet und eigene Prüfungsregelungen eingeführt.

Ab etwa 1898 wandte er sich der Katalyseforschung zu. Sein dynamischer Katalysebegriff definierte die Beschleunigung eines chemischen Vorganges durch das bloße Vorhandensein eines fremden Stoffes. Er unterschied gemäß den Zwischenstufen des Katalysevorganges zwischen homogener und heterogener Katalyse, prognostizierte die Erforschung biologischer Katalysatoren. Ostwalds Versuche zur katalytischen Ammoniaksynthese aus freiem Stickstoff und Wasserstoff wurden später von W. Nernst und vor allem F. Haber unter anderen Bedingungen von Druck und Temperatur zum Erfolg geführt; ihm selbst aber gelang es, zusammen mit E. Brauer, unter Verwendung von Platin als Katalysator ein Verfahren zur Ammoniakoxydation bis zur Verfahrensreife zu entwickeln (1903), ein wichtiger Beitrag für die Salpeter-, beziehungsweise Düngemittel- und Sprengstoffindustrie.

Parallel zu diesen Arbeiten untersuchte Ostwald Übergänge von instabilen zu stabilen Zuständen in ihren verschiedenen Phasen („Stufenregel„) bis zur bereits genannten „Ostwaldreifung„. 1900 erschienen die „Grundlinien der anorganischen Chemie„. Ebenfalls um 1900 begann er in seinem Institut mit naturphilosophischen Vorlesungen, begründete ab 1901/02 die Vierteljahresschrift "Annalen der Naturphilosophie" (bis 1913 in 12 Bänden). 1903 stellte er in Berkeley / Kalifornien seine Überlegungen über wissenschaftliche Kreativität und Gelehrtentypen (Klassiker, Romantiker, Mischtypen) vor.

1904 folgte er der ehrenvollen Einladung, in London die Faraday - Lecture zu halten, er sprach über „Elemente und Verbindungen„: Chemische Gesetzmäßigkeiten seien unter Verzicht auf den Atombegriff energetisch begründbar.

Ebenfalls 1904 nahm er im Rahmen der Weltausstellung am Kongress für Wissenschaft und Kunst in St. Louis teil.

1906 gab er, seit Jahren lehrverdrossen, von sich aus den Lehrstuhl an der Universität auf, da sein Antrag auf Vorlesungsbefreiung abgelehnt worden war, ihm jedoch die Reorganisationen im Lehrbetrieb und die Bewilligung eines Subdirektors für das Institut nicht entlastend genug erschienen.

Vor dem Schritt in das Leben eines Privatgelehrten aber folgte er noch der Einladung, als erster deutscher Austauschprofessor an der Harvard-Universität/Cambridge, in Boston und in New York Vorträge zu halten. Die Reise wurde trotz Ostwalds thematischer Exkursionen in die Naturphilosophie oder in Weltspracheprobleme ein Erfolg.

Nach Übersiedlung in sein Landhaus „Energie„ in Großbothen widmete sich Ostwald der Wissenschaftsforschung („Die Pyramide der Wissenschaften„). Wissenschaft sei das einzige Mittel zur Lösung sämtlicher Probleme des Menschen, daher gelte es, sie selbst zum Gegenstand von Forschung zu erheben. Da dem Menschen nur ein begrenztes Potential an Energie und Ressourcen zur Verfügung stünde, müsse damit rationell umgegangen werden; Handlungsmaxime sei der „Energetische Imperativ: Vergeude keine Energie, verwerte sie„. Aus der Überzeugung von der Erkennbarkeit und Lösbarkeit aller Probleme folgt, dass der Erwerb von Wissen, die Weitergabe von Wissen und die Anwendung von Wissen rationell organisiert werden müsse. Ostwald engagierte sich für eine Weltsprache (Esperanto, später Ido), weil der „gesellschaftliche„, der „geistige„, der sprachliche Verkehr, die internationale Kommunikation effektiv zu funktionieren habe. Seine historisch-biografischen („Psychographien„) und pädagogischen Studien sollten beitragen, den Einsatz von Wissenschaftlern typgerecht organisieren zu können. Eingehend beschäftigte er sich mit Bildungswesen und Volksaufklärung. Den Plan einer Chemischen Reichsanstalt hatte er zwecks energetisch bewusster Kommunikation zwischen Institutionen jahrelang favorisiert, sich hiervon aber zurückgezogen, als er sich bei der Realisierung des Vorhabens verdrängt fühlte.  

Im Jahre 1909 erhielt Ostwald nach mehrfachen Nominierungen den Chemie-Nobelpreis für seine Forschungen zur Katalyse, über chemische Gleichgewichte und Reaktionsgeschwindigkeiten.

1911 (bis 1915) wurde er Präsident der von ihm mit begründeten Internationalen Assoziation der Chemiker.

Ebenfalls ab 1911 (bis 1915) übernahm Ostwald, der seinen Wissenschaftsoptimismus bis zu einer Art Religionsersatz, zu einer Wissenschaftsgläubigkeit entwickelte, die Präsidentschaft des von E. Haeckel gegründeten Monistenbundes. Er schrieb „Monistische Sonntagspredigten„, agierte (bereits seit 1909) für den Pazifismus und die Deutsche Friedensgesellschaft sowie für die Kirchenaustrittsbewegung (1913), weil die Menschheit sich Irrglaube und kriegerisches Zerstören von Kulturwerten, also Vergeudung von Energie nicht leisten könne. 1912 initiierte er eine Monistensiedlung, in der das Zusammenleben von wissenschaftlicher Weltsicht geprägt sein sollte; das Experiment enttäuschte jedoch.   

1911/12 unterstützte er (auch finanziell) die Gründung der "Brücke - Internationales Institut zur Organisierung der geistigen Arbeit" das die Information und Dokumentation in der Wissenschaft vereinheitlichen sollte und übernahm deren Vorsitz; das Vorhaben scheiterte jedoch 1913 nach viel versprechendem Beginn am Versagen von Mitarbeitern.

Zu Beginn des Ersten Weltkrieges enttäuschte Ostwald viele Anhänger, als er den Krieg als Verteidigung deutscher Kultur rechtfertigte und eine künftige Hegemonie Deutschlands in Europa proklamierte.

Ab etwa 1915 widmete er sich der messenden Farbenforschung, um künstlerische Gestaltung der wissenschaftlichen Betrachtung zu erschließen. Farbwerte sollten definiert, die Körperfarben mittels seiner quantitativen Pigmenttheorie objektiv gemessen werden. Ostwald ordnete die Farbabstufungen in einem 280teiligen Farbenkreis mit Ableitungsmöglichkeiten, sein Farbenatlas von 1918 beschrieb 2500 Farben. Ostwalds Farbenlehre fand bei den Physikern kaum Anerkennung, er selbst aber bewertete sie sogar höher als sein physikochemisches Werk. In der Tapeten- und Textilindustrie, Farbenherstellung sowie in der Kunsterziehung fanden seine Farbenskalen und Farbkästen zeitweilig gute Anerkennung. Auf Dauer konnte sie sich jedoch nicht durchsetzen, obwohl er für deren Publizierung und Anwendung viel unternahm, Lehrbücher schrieb, 1913 den Verlag UNESMA gegründet hatte, Vorträge an Schulen hielt, ab 1914 mit dem Deutschen Werkbund zusammenarbeitete. 1920 waren in Dresden und weiteren Orten Werkstellen für Farbkunde entstanden. In Großbothen hatte Ostwald (ebenfalls 1920) „Energie-Werke„ für seine Lehrmittel und Farbenerzeugnisse gegründet, die 1923 geschlossen wurden, dafür entstand dann die WOFAG. Die Verwendung lichtempfindlicher Farben beschwor diverse Schwierigkeiten herauf, seit 1925 durften sie an preußischen Schulen nicht mehr eingesetzt werden.

Insgesamt blieb Ostwald bis zu seinem Lebensende aktiv, und in den Jahren 1926/27 erschien noch eine dreibändige Autobiographie.

Am 4. 4. 1932 verstarb er in Leipzig.

Er gehörte zu den erfolgreichsten und vielseitigsten Gelehrtenpersönlichkeiten des Jahrhunderts, war Mitglied zahlreicher Wissenschaftsakademien, Inhaber vielfacher Ehrendoktorate und Orden sowie Nobelpreisträger. Über die physikalisch-chemischen und wissenschaftstheoretischen Arbeiten hinaus hinterließ er ein umfangreiches Œuvre an Büchern, Abhandlungen, Referaten und Einzelschriften, dazu einen Fundus von Briefen, der nach Tausenden zählt und auch die meisten der eigenen Briefe in kopierter Form enthält.  

Der gesamte Nachlaß des Nobelpreisträgers gelangte anläßlich seines 100. Geburtstages im Jahre 1953 per Schenkung durch die Familie Ostwald in das Eigentum der Berliner Akademie der Wissenschaften, der Ostwald seit dem 12.01.1905 als Korrespondierendes Mitglied angehört hatte.

Der wertvolle schriftliche Nachlaß Wilhelm Ostwalds wird seit den 70er Jahren im Berliner Akademiearchiv aufbewahrt.

Die wissenschaftshistorisch interessante Wohn-, Arbeits- und Gedenkstätte Ostwalds in Großbothen wurde auf der Grundlage des Einigungsvertrages zur Herstellung der Einheit Deutschlands vom 31.08.1990 in die Landeshoheit des Freistaates Sachsen überführt.