在国家物理工程研究所，维恩与路德维希·霍尔伯恩一起研究用勒沙特列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，维恩提出波长随温度改变的定律，后来被称为维恩位移定律。 1894年他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。
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·汤姆生在剑桥发现电子的同时，维恩用与汤姆生不同的方法测量到了这些粒子带电量和质量的关系，并且得出了与汤姆生相同的结果，即它们的质量只有氢原子的一千分之一。
1898年维恩又研究了欧根·戈尔德施泰因发现的阳极射线，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年维恩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年他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。
维恩在概率论和逻辑学方面有所贡献，他在1866年的《机会逻辑》和1881年的《符号逻辑》等在19世纪末及20世纪初曾享有很高的声誉。他修正了棣莫弗（De Moivre）的一个经典概率论定义，将「在m次试验中，成功n次，则成功的概率为n/m」，修改为「在m（m为一个大数）次试验中，成功n次，则成功的概率为当m趋向无穷大时n/m的极限值」，但此定义仍然有缺点。联系著这个定义，他还研究了著名的「圣彼得堡悖论」（St. Peterburg Paradox）。在逻辑学方面，维恩曾澄清了布尔在1854年的《思维规律的研究》中一些含混的概念。但其最主要的成就是系统解释并发展了几何表示的方法。他作出一系列简单闭曲缐（圆或更复杂的形式），将平面分为许多间隔，利用这种图表，维恩阐明瞭演绎推理的基本原理。为了进一步明确起见，他还引入了一些数学难题作为实例。虽然在维恩之前，莱布尼茨（Leibniz）已系统地运用过这类逻辑图，但今天这种逻辑图仍称作「维恩图」（Venn Diagram）。
除了数学以外，维恩还有一较特别的兴趣或技能，那便是制作机器。他曾制作一部板球磙动机，当澳洲板球队在1909年到访剑桥时，维恩的板球磙动机依然运作正常，并使他们其中一位成员打空四次。
