Ab 1872 lehrte er an der Deutschen Universität Prag. Er war ein Vertreter der Positionen Johann Friedrich Herbarts. Willmann war vermutlich der bedeutendste Pädagoge des alten Österreich. Er bemühte sich um eine philosophische Begründung der Pädagogik. Sein Gesamtwerk hat enzyklopädische Ausmaße und behandelt Themen auch weit abseits der Pädagogik.
Bereits 1967 wurde eine Grundschule in Voerde nach Otto Willmann benannt.
1974 wurde die Otto-Willmann-Gasse in Wien-Favoriten nach ihm benannt. Er wurde 1887 Ehrenmitglied der KDStV Ferdinandea Prag im CV.
1973 wurde zu seinem Gedenken in Salzburg die Societas Litterarum Artiumque Ottonis Willmannis gegründet.
Willmann war mit Franziska Biller verheiratet, sie hatten vier Kinder. Seine 1872 geborene Tochter Charlotte heiratete den Verleger Hermann Herder.
Werke
Originalausgaben
De figuris grammaticis, Berlin 1862
Die Odyssee im erziehenden Unterricht, Leipzig 1868
Band 8: Geschichte des Idealismus. Band 1: Vorgeschichte und Geschichte des antiken Idealismus. Aalen 1973, ISBN 3-511-03708-5. Digitalisate
Band 9: Geschichte des Idealismus. Band 2: Der Idealismus der Kirchenväter und der Realismus der Scholastiker. Aalen 1975, ISBN 3-511-03709-3
Band 10: Geschichte des Idealismus. Band 3: Der Idealismus der Neuzeit. Aalen 1979, ISBN 3-511-03710-7
Außerdem war Willmann Herausgeber bzw. Mitherausgeber verschiedener Zeitschriften, der pädagogischen Schriften von Herbart (2 Bände Leipzig 1873) und Theodor Waitz (Braunschweig 1898) sowie des fünfbändigen Lexikon der Pädagogik (Freiburg im Breisgau 1913–1917).
Festschrift zum 75. Geburtstage des Herrn Hofrates Dr. Otto Willmann, hg. v. Katholischen Landes- und Lehrerverein Oberösterreich und Salzburg (Katholische Schulblätter 13–17), Salzburg 1914
Wenzel Pohl (Hg.): Beiträge zur Philosophia und Paedagogia Perennis. Festgabe zum 80. Geburtstage von Otto Willmann. Herder, Freiburg 1919
Leopold Krebs (Hg.): Otto Willmann zum Gedächtnis. Herder, Freiburg 1939
Bitterlich-Willmann, Heinrich: Otto Willmann. Bibliographie 1861–1966. Scientia, Aalen 1967, ISBN 3-511-03729-8
Brezinka, Wolfgang: Pädagogik in Österreich. Die Geschichte des Faches an den Universitäten vom 18. bis zum Ende des 20. Jahrhunderts. Band 2: Prag, Graz, Innsbruck. Verlag der österreichischen Akademie der Wissenschaften, Wien 2003, ISBN 3-7001-3218-2
↑Gesamtverzeichnis des C.V.Die Ehrenmitglieder, Alten Herren und Studierenden des Cartellverbandes (C.V.) der kath. deutschen Studentenverbindungen. 1912, Straßburg i. Els. 1912, S. 311.
↑Herder, Charlotte, in: Gudrun Wedel: Autobiographien von Frauen. Ein Lexikon. Köln: Böhlau, 2010, S. 331