1871 года Уильям Рамзай исследовал толуоловые и пиридиновые кислоты. Он первым получил из пиколина пиколиновую кислоту, а также альфа- и бета- дикарбопиридиновые кислоты и изучил их свойства. В  1876 года вышла работа Рамзая, в которой описан метод получения пиридина из ацетилена и цианистой кислоты, а через год Рамзай  выступил на заседании собрания Французской ассоциации с сообщением «О соединениях пиридина». В 1878 году была опубликована работа Рамзая по исследованию физиологических свойств пиридиновых оснований и их солей, выполненная вместе с Дж.МакКендриком. Также проводили опыты по химии некоторых анестезирующих веществ.

В 1878 году вышла работа Рамзая «О микроареометре», посвященная изучению вязкости растворов солей. В 80-е годы XIX века ученый занимался изучением капиллярности эфиров при высоких температурах, разработкой методик синтеза метилфторида, измерениями термических констант воды, исследованием химических свойств гидросульфидов и определением весов металлов в ртутных растворах. Вместе с Джоном Шильдсом Уильям Рамзай разработал прибор, с помощью которого в течение долгого времени в лабораториях измеряли поверхностное натяжение. 

С 1884 по 1895 год Рамзай и Юнг опубликовали 35 совместных работ, которые были связаны с их совместным исследованием критических явлений, взаимосвязи испарения и диссоциации и других проблем фазового равновесия. Многие из них попали в серию публикации „On evaporation and dissociation“. Также ученые вывели уравнение зависимости температуры от давления при постоянном объеме. Кроме того, они первыми изучили важную для промышленности реакцию образования аммиака с точки зрения химического равновесия и установили причины смещения равновесия в ту или иную сторону. 

С 1890-го года начал серьезное изучение газов атмосферы. В 1894 году  Рамзай встретился с Рэлеем для обсуждения проблем, связанных с различиями в массе азота, полученного из атмосферы разными способами. Ученые начали совместные исследования и в апреле 1894 года установили наличие в атмосфере нового газа — аргона. В течение полугода ученые дорабатывали и проверяли свои исследования и окончательно объявили об открытии аргона 31 января 1895 в Лондонском университете на собрании Королевского общества, а 28 марта 1895 года вышла научная публикация «Аргон - новая составная часть атмосферы». 

Рамзай предсказал существование других инертных газов и вёл активную работу по их поиску и выделению. Опыты с минералом клевеитом привели его к открытию гелия в марте. А уже через три года на заседании Королевского общества Рамзай объявил об открытии криптона. Летом этого же года им открыты неон и ксенон.

В 1904 году  получил Нобелевскую премию по химии за открытие благородных газов.

Рамзая очень заинтересовало обнаруженное в то время явление радиоактивности, и в 1896 году он посетил лабораторию Беккереля. С этого же момента он  сотрудничал с Содди: ученые исследовали эманацию радия в гелий. В 1904 году вышла совместная работа Рамзая и Содди , доказывающая, что в процессе альфа-распада выделяется гелий.