Po utworzeniu przez króla Prus Fryderyka Wilhelma III w 1809 roku uniwersytetu w Berlinie, objął profesurę botaniki i został dyrektorem ogrodu botanicznego.
Von Willdenow zmarł 10 lipca 1812 roku.
Działalność naukowa Interesował się rodzimą florą i prowadził herbarium, w którym zebrał wszystkie gatunki roślin występujących w środkowych i północnych Niemczech. W 1788 roku poznał Alexandra von Humboldta (1769–1859), z którym prowadził dyskusje o botanice i któremu przedstawił swój zbiór roślin. Z Humboldtem połączyła go wieloletnia przyjaźń i współpraca naukowa. Herbarium von Willdenowa liczyło ponad 20 tys. rodzajów roślin, z których większość to były egzemplarze właśnie odkrytych i opisanych roślin.
W 1804 roku odbył podróż przez Austrię i Alpy do Włoch Północnych a w 1810 roku po Holandii, Belgii i Francji.