S'especialitzà en l’estudi de les aplicacions de les altes pressions a les reaccions químiques, la qual cosa l’induí a idear dos processos d’extraordinària importància, puix que permeteren a la indústria alemanya d’obtenir en temps de guerra hidrocarburs líquids (procés de Bergius) i substàncies alimentàries (procés de Bergius-Willstätter). L’any 1931 li fou atorgat el premi Nobel de química, que compartí amb Karl Bosch.