1896年，前往亚琛工业大学（RWTH Aachen University）担任物理学教授，以接替菲利普·莱纳德（Philipp Lénárd，1905年诺贝尔物理学奖获得者）。

1899年，担任吉森大学（Justus-Liebig-Universität Gießen）物理学教授。

1900年，赴维尔茨堡大学（University of Würzburg）任教，接替威廉·康拉德·伦琴（Wilhelm Conrad Röntgen）。

1902年，被邀请接替路德维希·玻尔兹曼（Ludwig Edward Boltzmann）出任莱比锡大学（Leipzig University）物理学教授，但他拒绝了这个邀请。

1906年，被邀请接替保罗·德鲁德（Paul Drude）出任柏林洪堡大学物理学教授，但他拒绝了这个邀请。

1911年，获得诺贝尔物理学奖。

1920年底，前往慕尼黑大学（University of Munich）任教，再次接替威廉·康拉德·伦琴。

1928年，在慕尼黑去世。

1887年，威廉·维恩完成了金属对光和热辐射的导磁性实验。在国家物理工程研究所，他与路德维希·霍尔伯恩（Ludwig Holborn）一起研究用勒沙特列（Le Chatelier）温度计测量高温的方法，同时对热动力学进行理论研究，尤其是热辐射的定律。

1893年，威廉·维恩经由热力学、光谱学、电磁学和光学等理论支援，提出波长随温度改变的定律，后来被称为维恩位移定律，lmaxT=常数。该定律指出，随着温度的升高，与辐射能量密度极大值对应的波长向短波方向移动。由于辐射通量密度与辐射能量密度之比为c/4，所以在测出对应辐射通量密度极大值的lmax后，就可以根据维恩位移定律确定辐射体的温度。光测温度计就是根据这一原理制成的。

1894年，发表了一篇关于辐射的温度和熵的论文，将温度和熵的概念扩展到了真空中的辐射，在这篇论文中，他定义了一种能够完全吸收所有辐射的理想物体，并称之为黑体。

1896年，发表了维恩公式，即维恩辐射定律，给出了这种确定黑体辐射的关系式，提供了描述和测量高温的新方法。其中，El为在波长l处单位波长间隔的辐射能量；C1和C2是两个经验参数，通过符合实验曲线来确定；T为平衡时的温度。维恩公式在短波波段与实验符合得很好，但在长波波段与实验有明显的偏离。后来，在进一步探索更好的辐射公式的过程中，普朗克建立了与所有的实验都符合的辐射量子理论。

1896年，前往亚琛接替菲利普·莱纳德后，他在那里建立实验室研究真空中的静电放电。1897年开始研究阴极射线，借助带莱纳德窗的高真空管，他确认了让·巴蒂斯特·皮兰两年前的发现，即阴极射线由高速运动的带负电的粒子（电子）组成。几乎与约瑟夫·汤姆孙在剑桥发现电子的同时，维恩用与汤姆孙不同的方法测量到了这些粒子带电量和质量的关系，并且得出了与汤姆孙相同的结果，即它们的质量只有氢原子的一千分之一。

1898年，研究了欧根·戈尔德施泰因（Eugen Goldstein）发现的阳极射线，指出它们的带正电量与阴极射线的带负电量相等，他测量了它们在磁场和电场影响下的偏移，并得出阳极射线由带正电的粒子组成，并且它们不比电子重的结论。维恩所使用的方法在约20年后形成了质谱学，实现了对多种原子及其同位素质量的精确测量，以及对原子核反应所释放能量的计算。

1900年，发表了一篇关于力学的电磁学基础的理论论文，此后又继续研究阳极射线，并在1912年发现，在并非高真空的环境下，气压不是非常弱时，阳极射线通过与残余气体的原子碰撞，会在运动过程中损失并重得它们的带电量。

1918年，再次发表对阳极射线的研究结果，他测量了射线在离开阴极后，发光度的累积减少过程，通过这些实验，他推断出在经典物理学中所称的原子发光度的衰退，对应于量子物理学中的原子处于活跃状态的时间有限。

1900年，威廉·维恩出版了教科书《流体力学》（Hydrodynamik）。

威廉·维恩的父亲卡尔·维恩（Carl Wien）是地主。1886年博士毕业后由于维恩的父亲生病，维恩不得不回去帮助管理他父亲的土地。威廉·维恩的表弟马克斯·维恩（Max Wien）是高频电子技术的先驱。

1898年，威廉·维恩与路易丝·梅勒（Luise Mehler）结婚，婚后两人育有4个孩子。

威廉·维恩对于热辐射等物理法则作出了贡献。

威廉·维恩的研究成果为从牛顿的经典物理学向量子物理学过渡作出了贡献。

威廉·维恩不朽的荣耀是“他为我们打开了通往量子物理学的大门”（He led us to the very gates of quantum physics）。（1914年诺贝尔物理学奖获得者马克斯·冯·劳厄评）

火星上有一个陨石坑以他的名字命名。