В 1912 году Вильшьеттер перешел в только что созданный Институт кайзера Вильгельма в Берлине, где продолжил исследование антоцианинов. Большая часть красных, синих и фиолетовых пигментов растений состоит из антоцианинов. Например, благодаря антоцианинам вода, в которой кипит свекла, становится красной. Вильштеттер обнаружил, что при одинаковой структуре растворимых в воде пигментов могут образовываться разные цвета. Он нашел, что большая часть цветков растений обязана своей окраской всего лишь трем антоцианинам. Окраска цветков зависит от смеси нескольких антоцианинов и (для желтого цвета) каротиноидов.
Проводимые ученым исследования были прерваны разразившейся в 1914 году Первой мировой войной. Из-за травм, которые он получил несколькими годами ранее в горах, совершая восхождение, он был освобожден от военной службы.
В 1915 году Вильштеттеру была присуждена Нобелевская премия по химии «за исследования красящих веществ растительного мира, особенно хлорофилла». Поскольку во время войны церемонии награждения были отменены, он получил премию только в 1920 году.
В 1916 году он был избран профессором Мюнхенского университета на место Байера. И хотя по окончании Первой мировой войны научная жизнь в Германии сталкивалась со многими трудностями, но Вильштеттер избрал новое направление исследований, «чтобы прорваться в неизвестное», и взялся за изучение энзимов (органических соединений, способных вызывать изменения, действуя в качестве катализаторов), о которых ни он, ни его коллеги почти ничего не знали.
Однако к 1924 году значительно усилился антисемитизм, и целый ряд евреев – кандидатов на университетские должности не были приняты на работу. В связи с этим 24 июля 1924 года Вильштеттер в знак протеста вышел в отставку. Его преемником в университете стал Генрих Виланд, который обеспечил Вильштеттеру в течение нескольких последующих лет возможность проведения экспериментальной работы с лейкоцитами.
С приходом к власти нацистов жизнь евреев осложнилась. В это время Вильштеттер посетил США и Великобританию, и там ему неоднократно предлагали остаться и работать в различных институтах и университетах. Однако ученый хотел жить на родине. В ноябре 1938 года в его дом явилась полиция, чтобы арестовать и отправить в Дахау, но его экономке удалось не провести полицию в сад, где Вильштеттер в это время прятался. В начале следующего года он попытался бежать в Швейцарию (где ему предложил приют его бывший ученик Артур Штолль), но, когда пересекал на лодке Боденское озеро, был схвачен гестаповцами. И только после вмешательства швейцарского посла Вильштеттеру было разрешено выехать из Германии. В Швейцарии Штолль поселил его на вилле «Эрмитаж»,