Wieland erhält im Jahre 1927 den Chemienobelpreis für seine Untersuchungen auf den Gebiet der Gallensäuren und verwandter chemischer Verbindungen.

Gallensäuren sind eine wichtige klasse von Naturstoffen mit außerordentlich kompliziertem molekularem Aufbau. Ihre Aufklärung galt als eine der schwierigsten Aufgaben in der organischen Chemie, deren Lösung durch Wieland in Fachkreisen gewürdigt wurde. Obwohl die Gallensäuren nur aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff bestehen, ist die aus mehreren ringförmigen Untereinheiten bestehenden molekulare Struktur sehr kompliziert, und es schien für die damaligen analytischen Methoden fast unmöglich, genaue Erkenntnisse über die Molekülstruktur zu ermitteln. Wieland erreichte das Ziel, indem er die einzelnen Ringe in sog. Abbaureaktionen öffnete und die Teilstrukturen Stück um Stück ermittelte.

Die Untersuchungen über die Struktur der Gallensäuren waren der Höhepunkt der Forschungstätigkeit Wielands, die allgemein auf dem Gebiet der Naturstoffe angesiedelt war.
Er veröffentlichte insgesamt mehr als 400 wissenschaftliche Arbeiten und Bücher, die sich auch mit biochemischen Reaktionen befassten. Wieland lieferte entscheidende Beiträge für das Verständnis der biochemischen Oxidationsprozesse; er wies nach, dass enzymatische Oxidationen der organischen Substanzen in den Zellen, eine der wichtigsten Stoffwechselprozesse, in den meisten Fällen durch Dehydrierung (Wasserstoffabspaltung) erfolgen.

Die berühmte Karriere Wielands war stark durch die Familientradition geprägt. Sein Vater Theodor Wieland war pharmazeutischer Chemiker, von seinen vier Kindern wurden zwei Chemiker, während er selbst als Professor für Medizin an der Universität München lehrte. Seine Tochter Eva heiratete den späteren Nobelpreisträger und Professor für Biochemie, Felix Feodor Lynen.

Wieland studierte Chemie in München, Berlin und Stuttgart, bevor er 1901 in München bei Johannes Thiel zum Doktor rer. nat. promovierte. 1913 wurde er zum Dozenten ernannt und 1917 zum Professor an der TU München. Während des Ersten Weltkriegs arbeitete Wieland 1917/18 am Kaiser-Wilhelm-Institut in Berlin-Dahlem. Im Jahr 1921 nahm er einen Ruf an die Universität Freiburg im Breisgau an, kehrte jedoch 1925 als Nachfolger von Richard Martin Willstätter nach München als Professor für organische Chemie zurück und blieb dort bis zum Ende seiner akademischen Karriere.