В 1837 в сотрудничестве с Уилямом Куком получил патент на электромагнитный телеграф и создал первую действующую телеграфную линию в Англии. Это был так называемый стрелочный телеграф: стрелка на приёмнике показывала буквы алфавита, расположенные по окружности наподобие цифр в часах.
Предложил мостовой метод электрических измерений. Так называемый мост Витстона (Уитстона) служит основой современных гальванометров. Витстонов мостик балансирует измеряемые токи таким образом, что становится возможным измерение колебаний этих токов.
Является изобретателем стереоскопа — аппарата для просмотра трёхмерных изображений.
В 1829 году запатентовал музыкальный инструмент Концертина.
