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Nació en Riga (Letonia) y estudió en la Universidad de Dorpat (hoy Universidad Estatal Tartu). En 1881 fue designado profesor del Instituto Politécnico de Riga y desde 1887 hasta 1906 fue profesor de química física y director del laboratorio de química de la Universidad de Lei

Ostwald es conocido, sobre todo, por sus aportaciones en el campo de la electroquímica, así como por importantes estudios sobre la conductividad eléctrica y disociación electrolítica de los ácidos orgánicos. Inventó un viscosímetro que se sigue utilizando para medir la viscosidad de las disoluciones.

En 1900 descubrió un método de obtención del ácido nítrico por oxidación del amoníaco. Este proceso, conocido como método de Ostwald, se utilizó en Alemania durante la I Guerra Mundial para fabricar explosivos cuando el bloqueo de los aliados cortó el suministro alemán regular de nitratos, y se sigue utilizando en la actualidad.

Ostwald recibió en 1909 el Premio Nobel de Química. Entre sus obras destacan Filosofía natural, (1902) y Ciencia del color, (1923). También a su hijo, Wolfgang Ostwald, un famoso científico, se le considera generalmente el fundador de la química de los coloides.