Né à Berlin le 25 décembre 1876, Windaus commence ses études au Lycée français de cette ville. Puis il part étudier la médecine à Fribourg, et il revient à Berlin, où il obtient en 1897 son dip16me de docteur en médecine; il s'intéresse aussi à la physique, à la chimie et à la zoologie. Il travaille pendant un an dans le laboratoire d'Emil Fischer, et soutient sa thèse de chimie en 1900. L'année suivante il repart à Fribourg, où Heinrich Kiliani effectue des recherches sur les saponines des digitales, et c'est dans le laboratoire de celui-ci qu'il entreprend ses travaux sur le cholestérol.

En 1913, Windaus est nommé professeur de chimie médicale à l'Université d'Innsbruck; deux ans plus tard il est professeur à l'Université de GOttingen, où il devient ensuite directeur du laboratoire de chimie. Comme son ami Wieland, il s'intéresse à la chimie des substances naturelles et, après le cholestérol, il étudie les poisons d'origine animale et végétale, et travaille sur la synthèse de la vitamine antirachitique D2. Tout comme Wallach, qui avait classé les terpènes, Windaus identifie les diverses substances de la série des stérols, et montre la parenté existant entre ces composés, les digitalines et les vitamines D. Compte tenu des moyens dont on disposait à l'époque, on peut affirmer que cette découverte représente une grande prouesse technique.

Ses premières recherches portent sur le cholestérol. Ce composé, dont Chevreul a montré l'existence dans les graisses, doit son appellation aux mots grecs cholè, "bile", et stéréos, "solide"; c'est la partie crisaponifiable des graisses que l'on transforme en savon, par action de la soude ou de la potasse. Windaus le prépare sous forme cristallisée à partir des calculs biliaires; il montre que cette molécule comprend 27 atomes de carbone, dont 8 appartiennent à la chaîne latérale fixée sur un squelette à quatre cycles et peuvent être séparés par oxydation ménagée. Il met en évidence que les relations existant entre les travaux sur les stérols et sur les digitalines sont dues à la propriété d'une digitaline, la digitanine, qui réagit avec les stérols pour donner un précipité solide insoluble dans l'eau. Windaus utilise cette réaction pour distinguer les produits obtenus par irradiation de l'ergostérol.

A l'époque, de nombreux chimistes portaient leur intérêt sur les corrélations existant entre les stérols et la vitamine antirachitique. Celle-ci se trouvait en quantité relativement abondante dans la partie insaponifiable de l'huile de foie de morue prescrite aux enfants rachitiques. Le médecin allemand Huldschinski fut le premier à signaler l'influence bienfaisante des rayonnements UV sur le rachitisme. Deux Américains, Hess et Steenbock, avaient montré indépendamment l'un de l'autre, qu'il n'était pas nécessaire d'irradier le membre malade, mais qu'il suffisait de consommer une alimentation soumise aux rayonnements vv. Les Anglais Rosenheim et Welster, de Londres, en conclurent que la substance active se trouvait dans la partie insaponifiable des aliments et qu'elle ressemblait aux stérols. On pensa aussit6t que les stérols d'origine animale ou végétale, ou ceux que l'on extrayait des champignons, pourraient être activés par irradiation ultraviolette. Des mesures chimicophysiques et biologiques montrèrent un peu plus tard que le cholestérol et le sitostérol contiennent des traces d'un mélange responsable de la formation de la substance active. Ce mélange ressemblait à l'ergostérol des champignons, ou plus précisément il avait un spectre d'absorption et un comportement physiologique identique à l'ergostérol. Windaus démontra ainsi que la conversion de l'ergostérol en vitamine antirachitique s'opère sous l'action de radiations ultraviolettes dont les longueurs d'onde sont comprises entre 253 et 302 nm (nanomètres). En dehors de ces limites, la lumière Uv n'a aucun effet. L'énergie d'irradiation est d'environ 700 à 1000 ergs, et l'activation se poursuit à basse température (même à -183'C). Une trop longue exposition, en revanche, détruit la vitamine D.

Lorsqu'un mélange d'ergostérol et d'éosine est exposé à la lumière visible, il se produit une réaction dans laquelle l'éosine est hydrogénée par l'ergostérol qui se transforme en pinacone C54H22O2. Lorsque tout l'ergostérol est oxydé, la réaction s'arrête. En présence d'oxygène, l'éosine réagit comme un catalyseur grâce à la lumière du jour, et conduit à la formation du peroxyde d'ergostérol cristallisé. Les deux composés de l'ergostérol sont inactifs, et Windaus n'a pas réussi à préparer d'antirachitiques à la lumière visible.

Pour obtenir des résultats probants et reproductibles, il est nécessaire d'éliminer toute trace d'oxygène, et de procéder à une irradiation uniforme de l'échantillon. Windaus opère alors dans une spirale de quartz entourant une lampe à mercure, et sous atmosphère d'azote.

Comme ceux de Wieland, les travaux de Windaus eurent de grandes conséquences sur l'évolution future de la chimie organique biologique. Ils furent au départ de recherches sur les hormones sexuelles, les digitalines permettant par ailleurs la préparation technique de toniques et de sédatifs cardiaques. L'irradiation de substances organiques et la méthode de préparation de la vitamine D ont connu de larges applications.

Les débuts de la photochimie ont montré cependant que les techniques utilisées doivent être méticuleusement contr61ées, et que tout excès de dosage se traduit par une altération du produit de la réaction. L'énergie nécessaire pour convertir l'ergostérol est relativement faible: il suffit de la combustion d'1 gramme de pétrole brut pour foumir une énergie suffisante à la conversion de 10 grammes d'ergostérol. Bourdillon avait appelé calciférol le principe actif de la vitamine antirachitique; Windaus le nomma finalement vitamine D2 pour le distinguer du mélange d'origine, la vitamine D. Les vitamines sont des substances extr6mement actives: une once (28,35 g) de vitamine pure suffit aux besoins de 3000 enfants durant un an!

En plus de nombreux articles, Windaus publia deux ouvrages relatifs à ses travaux: Die Konstitution des Cholesterins (1919) et Anwendungen der Spannungstheorie (1921).

Il mourut le 9 juin 1959 à GOttingen, en République Fédérale Allemande.