Robert Bunsen tanítványa volt 1871-ben a Heidelbergi Egyetemen, majd Angliában a Bristoli, 1887-1913 közt a Londoni Egyetem kémiaprofesszora lett. Kezdetben az alkaloidák élettani hatását vizsgálta, s felismerte kapcsolatukat a piridinnel, egy a benzolhoz hasonló, nitrogéntartalmú szerves vegyülettel. John Shields-szel közösen, némi módosítással igazolta Eötvös Loránd szabályát, amely a folyadékok felületi feszültsége és a hőmérséklet között állapított meg összefüggést. 1892-ben Lord Raleigh brit fizikus felkérte a vegyészeket, próbálják megmagyarázni, miért kisebb a vegyületekben előforduló nitrogén atomsúlya a légkörben előforduló gázénál. Ramsay feltételezte, hogy a légköri nitrogént egy nehezebb gáz szennyezi, s miután Raleigh-vel kivonták a levegő oxigénjét és nitrogénjét, 1894-ben egy semleges gázra, az argonra bukkantak. Ez alkotja a légkör majd egy százalékát. Egy évvel később Ramsay héliumot állított elő a kleveit nevű ásványból, elsőként különítve el a legkönnyebb nemesgázt. 1903-ban mutatta ki, hogy a rádium radioaktív bomlása során folyamatosan keletkezik hélium, ez elősegítette a nukleáris reakciók megértését. A periódusos rendszerből arra következtettek, hogy még legalább három nemesgáznak kell lennie. 1898-b an M. W. Travers-sel alacsony hőmérsékleten és nagy nyomáson cseppfolyósított levegőből el is különítette ezeket: a neont, a kriptont és a xenont. 1910-ben a rádium emanációjában kimutatta az utolsó nemesgázt, a radont - így ő az egyetlen, aki egy egész elemcsalád felfedezésében részt vett. 1888-ban lett a Royal Society tagja, 1902-ben lovagi rangot kapott. 1904-ben kémiai Nobel-díjat kapott `a levegőben előforduló közömbös gázok felfedezéséért és a periódusos rendszerben elfoglalt helyük meghatározásáért.`