從此，拉姆賽便開始了正規的化學研究生涯。1874年，格拉斯哥大學指定他為該校化學教授約翰·費格森的助手。他忠於職守，兢兢業業，一直幹了6年。在這段時間裏，他主要從事生物堿和吡啶之間關係的研究，並於1878年獲得成功。隨後又集中研究臨界狀態、氣壓與溫度的關係以及液體的其他性能。
1880年，拉姆賽博士受聘於英國布裏斯托爾大學學院，任化學教授。第二年，他又被任命為院長。1887年，他被公推為倫敦大學化學學院的普通化學負責人。
1892年，當英國著名物理學家約翰·瑞利向化學家們提出建議，希望能夠解釋：為什麼化合物中的氮與空氣中的氮密度不同時，拉姆賽被這一問題吸引住了。經過多次試驗，他終於發現空氣裏仍有一種化學性質不活潑的氣體元素。它就是現在化學元素周期表中的氬。1894年，拉姆賽和瑞利博士一起宣布了這一發現。由於氬的發現，空氣中的氮比化合物中的氮密度大，質量重這一問題就得到了完滿的解釋。拉姆賽並未因此而停步，隨後，他又發現了其他惰性氣體。
為了表彰他的這一傑出貢獻，1902年，英國皇家授予他爵位，1904年，瑞典皇家科學院又授予他諾貝爾化學獎。然而年過半百的拉姆賽並沒有就此而滿足，他根據氦的發現與放射性礦物有密切關聯的現象，通過對放射能的研究，創立了元素的變質論，並提出了與此有關的種種原理。1910年，拉姆賽再接再厲，與格萊一起，經過反複探索，終於找到了具有放射性的氣體元素，也就是惰性最強的一種氣體元素——氡。
隨著歲月的流逝，人們對惰性氣體有了越來越深入的了解。現在這些氣體已經廣泛地應用到社會各行各業，從日常生活所用的熒光燈到商業廣告的霓虹燈，從金屬切割機到打火機，從超低溫冰箱到海洋潛水員的氧氣，從麻醉劑到放射療法……都有惰性氣體的足跡。
1912年，拉姆賽博士年滿60，辭去了倫敦大學化學學院的職務。人雖然退休了，但戰鬥並沒有停止。他在黑茲默爾附近買了一棟房子，建立了一所自用的小型化學試驗室。他一有空就繼續從事化學研究，直到1916年去世時為止。化學是這位偉大科學家的終身伴侶，他曾經講過，他做學問的基本原則是：“多看，多學，多試。如有成果，絕不炫耀。一個人如果怕費時、費事，則將一事無成。”
馮夢龍言道：“要知天下事，須讀古人書。”隻要我們合理安排時間，多讀書，就可能會贏得成功。