A Berlini Egyetemen Emil Fischernél tanult kémiát, majd különféle beosztások betöltése után 1916-ban a Kieli Egyetem kémiaprofesszora lett, 1945-től professor emeritus.

 Diels 1906-ban egy nagyon reakcióképes anyagot fedezett fel, a malonsavból vízelvonással keletkező szén-szuboxidot (triszén-dioxid), meghatározta tulajdonságait és a kémiai összetételét. Könnyen kezelhető módszert dolgozott ki a hidrogénatomok egy részének bizonyos szerves molekulákból való eltávolítására, ehhez fém szelént alkalmazott.

 Legfontosabb munkája a diénszintézissel kapcsolatos: olyan szerves vegyületeket használt fel különféle, gyűrűs szerves anyagok szintéziséhez, amelyek két szén-szén kettős kötést tartalmaznak; a reakció körülményei rávilágítanak a kapott termék molekulaszerkezetére. Ezt a módszert, amelyet tanítványával, Kurt Alderrel együtt dolgozott ki 1928-ban, ma Diels-Alderr-reakciónak nevezik. Eljárásuk különösen a műgumi és a műanyagok előállításában fontos.