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개미와 다른 사회성 곤충들에 관한 세계 최고의 권위자 중의 한 사람으로 인정되고 있다. 그의 저서 중에서 〈개미：그들의 구조·발달·행동 Ants：Their Structure, Development, and Behavior〉(1910)·〈곤충들의 사회생활 Social Life Among the Insects〉(1923)은 오랫동안 이들 주제에 관한 표준적인 교재로 이용되어왔다.

휠러는 오스틴의 텍사스대학교의 동물학교수로 재직하는 동안 개미에 관한 연구를 시작했고(1899~1903), 뉴욕 시의 미국 자연사박물관의 무척추동물 분야의 관장이 된 후 자신의 연구를 크게 확장했다(1903~08). 그의 연구는 생태나 습성, 그리고 사회적 유대 외에 특히 개미의 분류·형태·분포 등에 대해서도 이루어졌다. 그는 개미의 사회적 행동이 곤충세계에서 가장 복잡한 것들 중의 하나라는 것을 발견했으며, 인간문명을 행동학적으로 분석하는 데 개미군집을 이용했다.

그의 발견들은 모로코, 갈라파고스 제도, 카나리아 제도 등을 포함하여 전세계에서 수집한 개미 종(種)들을 직접 관찰함으로써 이루어졌다. 휠러는 말년(1930)에 뿔잠자리류인 명주잠자리과(─科 Myrmeleontidae)의 유충인 개미귀신에 관한 중요한 생물학적 연구를 했다. 또한 하버드대학교 교수로 재직하면서(1908~34) 실용·응용 곤충학에 크게 기여했다.