W 1876 został zatrudniony na stanowisku profesora zwyczajnego na Ernst-Moritz-Arndt-Universität w Greifswaldzie. W 1897 objął stanowisko na Królewskim Uniwersytecie w Berlinie (Friedrich-Wilhelms-Universität), gdzie pracował aż do emerytury w 1921. Jego publiczne wykłady na różne tematy dotyczące klasycznej starożytności, odbywające się dwa razy w tygodniu, cieszyły się dużą popularnością. W 1908 otrzymał Pour le Mérite za Naukę i SztukęUlrich von Wilamowitz-Moellendorff na liście odznaczonych.
Ostatnie lata życia spędził w odosobnieniu, cierpiąc na chorobę nerek. Zmarł w Berlinie, ale został pochowany na rodzinnym cmentarzu rodziny Wilamowitz-Moellendorff w gaju wymysłowickim w Wymysłowicach.
Konflikt z Nietzschem i Wagnerem Zanim jeszcze zdobył uznanie w kręgach akademickich, Wilamowitz był głównym krytykiem Nietzschego w naukowej dyskusji wywołanej publikacją jego głośnego dzieła – Narodziny tragedii, czyli hellenizm i pesymizm. W latach 1872–73 opublikował dwie bardzo ostre polemiki (Zukunftsphilologie, tj. Filologia przyszłości), które mocno atakowały Nietzschego (wtedy profesora uniwersytetów w Bazylei i Kilonii). Richard Wagner, którego poglądy na sztukę wywarły wpływ na Nietzschego i Erwina Rohdego, zareagował publikacją otwartego listu, a Rohde napisał potępiającą odpowiedź.