Obtuvo su primer grado académico en 1896, luego completó su tesis doctoral en 1899 sobre los cambios que se producen en la sangre después de una pérdida importante de sangre.
Willebrand fue el primero en describir el trastorno de coagulación de la sangre que más tarde fuera nombrado en su honor como la enfermedad de von Willebrand.
Analizando su historia familiar, Willebrand encontró que 23 de 66 miembros de la familia de la niña fueron afectados por esta enfermedad, y también que la enfermedad era más común entre las mujeres que entre los hombres.
En 1926 publica en sueco Hereditär pseudohemofili, donde da a conocer los resultados de su descubrimiento.
[2] En su vida personal, Willebrand fue descrito como muy modesto.