Вильштеттер родился в еврейской семье в Карлсруэ. Здесь же он пошёл в школу, а после переезда его семьи продолжил учиться в технической школе в Нюрнберге.
В 18 лет он поступил в Мюнхенский университет с желанием заниматься наукой, где и оставался в течение следующих пятнадцати лет. Учился и работал на химическом факультете, где под руководством Адольфа фон Байера получил докторскую степень, а с 1894 года начал преподавательскую деятельность. Его докторская диссертация была посвящена исследованию структуры кокаина. Вильштеттер продолжил работать и исследовать другие алкалоиды, некоторые из которых он синтезировал.
В 1896 году был назначен на должность преподавателя, в 1902 году стал экстраординарным профессором.
В 1905 году переехал в Швейцарию, чтобы стать профессором Высшей технической школы Цюриха, там же работал на заводе по производству хлорофилла.
С 1912 года был профессором химии в Берлинском университете и директором отделения химии Общества кайзера Вильгельма, где изучал структуру пигментов цветов и плодов.
В 1916 году вернулся в Мюнхен в качестве преемника своего наставника Байера.
В 1920-х годах Вильштеттер исследовал механизмы ферментативных реакций.
В 1924 году карьера Вильштеттера неожиданно закончилась, когда он подал в отставку, выступая резко против политики антисемитизма.
В 1939 году он эмигрировал в Швейцарию, где прожил последние три года своей жизни.
В 1942 году Вильштеттер умер от сердечного приступа.Примечания Stoltzenberg, Dietrich. Fritz Haber: chemist, Nobel Laureate, German, Jew // Chemical Heritage Foundation. — 2004. — 203 p. — ISBN 978-0941901246.