Il travaillera à l'observatoire du Mont Wilson entre 1931 et 1958. En collaboration avec Fritz Zwicky, il a proposé en 1934 le concept de supernova. Il a également montré la polarisation du jet de M87 (Vierge) en 1956, ainsi que la polarisation de la nébuleuse du Crabe (Taureau), premier pas vers la reconnaissance du rôle de l'effet synchrotron dans le rayonnement de certains astres fortement magnétisés. Il est également l'auteur principal de l'identification de cette nébuleuse comme rémanent de la supernova de 1054.

Sa nationalité l'écartent pendant le second conflit mondial de l'effort de guerre américain, et lui permettent, d'une certaine façon en contrepartie, d'avoir presque pour lui tout seul télescope Hooker de 2,5 m, à un moment ou le couvre-feu qui règne sur Los Angeles, lui confèrent une puisssance qu'il ne retrouvera plus jamais. C'est grâce à cet instrument que Baade peut résoudre en étoiles les régions centrales de la galaxie d'Andromède. Ses recherches lui ont permis de découvrir l'existence de deux populations distinctes de variables pulsantes (avec des métallicités et des relations période-luminosité différentes), et de corriger (en doublant leur valeur) les premières estimations que Hubble avait faites des distances des galaxies à partir de la relation période-luminosité des céphéides.

Avec Rudolph Minkowski, Baade a identifié les contreparties optiques des radiosources Cygnus A (Cygne), Virgo A (M87) (Vierge), Perseus A (NGC 1275) (Persée), Cassiopeia A (Cassiopée), et Centaurus A (NGC 5128) (Centaure).

Ajoutons qu' il a découvert les astéroides Hidalgo (1920) et Icare (1948).