Genetiker, professor i plantefysiologi 1905-27, uddannet farmaceut i 1880, assistent på Carlsberglaboratoriet 1880-87, lektor (fra 1903 professor) i plantefysiologi på Den kgl. danske Veterinær- og Landbohøjskole 1892-1905, rektor ved universitetet 1917-18.
Efter en tidlig kariere som fysiolog på Carlsberglaboratoriet blev Wilhelm Johannsen mere interesseret i den nye videnskab om genetik omkring 1900. I 1903 publicerede han en afhandling baseret på sine eksperimenter med rene linjer af selvbestøvede bønner som overbeviste ham om, at selektion for ekstreme størrelsesvariationer ikke havde nogen effekt på afkommet. Afhandlingen blev hurtigt efter udgivelsen anset for at være et af de grundlæggende forskningsarbejder i genetik og blev oversat til tysk som Über Erblichkeit in Populationen und in reinen Linien. Ein Beitrag zur Beleuchtung schwebender Selektionsfragen (Jena: G. Fischer, 1903). Johannsen fandt, at hans eksperimenter med rene linjer havde vigtige implikationer for evolutionslæren. Johannsen demonstrerede den biologiske types bestandighed, hvilket i 1909 ledte ham til at formulere sin essentielle distinktion mellem genotype og fænotype, der blev publiceret i Elemente der Exacten Erblichkeitslehre (Jena: Gustav Fischer, 1909). Ifølge Johannsen kunne de miljømæssige faktorer, der påvirker fænotypen ikke overføres til afkommets genotype. I udenlandet blev dette bidrag til genetikken meget anerkendt og udgjorde et alvorlig slag mod lamarckismen. Det medførte således en kløft mellem traditionelle naturhistorikere, der i stigende grad fandt det svært at legitimere deres videnskabelige metoder, og laboratoriebiologer, der var ivrige efter at få afgrænset den eksakte videnskabs terræn til det eksperimentelle arbejde.
Efter arbejdet med de rene linjer af bønner stoppede Johannsen helt med at arbejde eksperimentelt og fokuserede i stedet på at diskutere de aktuelle genetiske teorier og forsvare eksakte metoder inden for evolutionsbiologi. I anmeldelser, tekstbøger og populære artikler kritiserede han, hvad han anså som metafysiske tilgange og spekulative antagelser i biologien. Hans kritiske tilgang resulterede i en fejde med hans tidligere lærer, professor i botanik Eugen Warming, i det 20. århundredes første årti. Warming var fornærmet over Johannsens skarpe kritik af hans forsøg på at integrere evolution og kristendom samt hans videnskabelige metode og lamarckistiske synspunkter. Johannsens arbejde inden for evolutionsforskningen inkluderer 'Falske Analogier' (Copenhagen: J.H. Schultz, 1914), Arvelighed i Historisk og Experimentel Belysning,(Copenhagen: Gyldendal, 1917) og Biologi: Træk af de Biologiske Videnskabers Udvikling i det Nittende Aarhundrede (Copenhagen: Gyldendal, 1922).
I 1924 blev Johannsen medlem af den statslige sterilisationskommission, der behandlede spørgsmål om degeneration og muligheden for racehygiejne (eugenik). Tro mod sin kritiske tilgang til videnskab forblev Johannsen dog skeptisk over for racehygiejniske initiativer. På baggrund af sin grundlæggede distinktion mellem genotype og fænotype argumenterede han for, at det var umuligt at konkludere, at alkoholisme, sindssyge eller specifikke sygdomme i visse familier var arvelige. Johansen var således langt fra genetisk determinist, og han hævdede, at opfostring og miljøet, og ikke den genetiske arv, ofte spillede en afgørende rolle for individets udvikling.
Hans Henrik Hjermitslev