Röntgen fut célèbre de son vivant et après sa mort. Dans plusieurs villes des rues portent son nom. Il eut plusieurs prix et médailles ainsi que plusieurs doctorats honorifiques. Il fut membre honorifique de plusieurs sociétés en Allemagne et ailleurs ; la liste de toutes ses distinctions est longue. Malgré tous ces honneurs, Röntgen demeura un homme humble et hésitant. Toute sa vie il a conservé son amour pour la nature. Il a passé la plupart de ses vacances estivales à Weilheim, au pied des Alpes bavaroises, où il accueillait ses amis, et faisait de la randonnée en montagne. Il était un bon montagnard, et il a quelques fois été dans des situations périlleuses pendant la pratique de cette activité. Il était aimable, courtois et semblait toujours se préoccuper de la compréhension et des opinions des autres. Gêné d'avoir un assistant, il préférait travailler seul. Il a construit la plupart des appareils qu'il utilisait, quelquefois avec une grande ingéniosité et un grand talent d'expérimentateur.
Il reçut le prix Nobel de physique en 1901 « en reconnaissance des services extraordinaires qu'il a rendus en découvrant les remarquables rayons qui ont été nommés par après en son honneur ».
En 1914, il fut un des signataires du Manifeste des 93 soutenant le militarisme de l'empire d'Allemagne.
Quatre ans après le décès d'Anna, Röntgen meurt à son tour, le 10 février 1923, à Munich, d'un cancer de l'intestin, qui ne semble toutefois avoir aucun rapport avec ses activités scientifiques, Röntgen ayant été un des premiers à utiliser systématiquement des boucliers en plomb afin de se protéger de ces rayons.
Le soir du 8 novembre 1895, Röntgen observe qu'à la décharge d'un tube, complètement enrobé de carton noir, scellé pour en exclure toute lumière et ceci dans une chambre noire, un carton couvert d'un côté de baryum platino-cyanide devient fluorescent lorsqu'il est frappé par les rayons émis du tube, et ce jusqu'à une distance de deux mètres. Lors d'expériences subséquentes, il place divers objets entre une plaque photographique et la source de rayonnement et il se rend compte qu'ils ont une transparence variable. Il expérimente ensuite avec la main de son épouse placée sur le parcours des rayons. Au développement, il s'aperçoit que l'image est l'ombre des os de la main de son épouse, son alliance y étant visible. Les os sont entourés d'une pénombre qui représente la chair de la main, la chair est donc plus perméable aux rayons. C'est le premier « Röntgenogram ». À la suite d'autres expériences, Röntgen constate que les nouveaux rayons sont produits par l'impact des rayons cathodiques sur un objet matériel. Parce que leur nature est encore inconnue, il leur donne le nom de « rayons X ». Plus tard, Max von Laue et ses étudiants démontreront qu'ils sont de nature électromagnétique, tout comme la lumière, et diffèrent seulement par une plus haute fréquence.
Cette découverte suscite chez les chercheurs une vive émulation, qui aboutira en France à l'affaire des rayons N.