Dopo un apprendistato da farmacista studiò medicina e botanica presso l'università di Halle e ottenne nel 1789 il titolo di Dr. med. Lavorò come farmacista a Berlino. Nel 1789 divenne professore di storia naturale presso il Collegium medico-chirurgicum, nel 1801 membro dell'accademia delle scienze e professore di botanica presso la neo-fondata università di Berlino.
Dal 1811 lavorò a Parigi analizzando le piante trovate da Alexander von Humboldt in Sudamerica. A causa di una malattia tornò a Berlino dove morì. Willdenow era uno dei più famosi biologi sistematici e viene considerato tra i fondatori della dendrologia.
Scritti Florae Berolinensis prodromus (1787) Etwas ueber die Entstehung der Pilze (1792) in Annals of Botany 3 pp. 58 - 65 Linnaei species plantarum (1798-1826, 6 Bde.) Enumeratio plantarum horti regii botanici Berolinensis (1809) Hortus Berolinensis (1816)
Specie di funghi identificati Bjerkandera adusta (Willdenow: Fries) Karsten Generi di funghi identificati Peltigera Willdenow Poronia Willdenow: Fries
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