Er studierte Chemie und promovierte 1920. Ab 1923 lehrte er auf seinem Fachgebiet. 1928–1936 war er Professor an der Universität Heidelberg, 1936 Professor und Direktor des Chemischen Instituts an der Universität Halle (Saale); 1943–1969 Direktor des Kaiser-Wilhelm-Instituts (heute Max-Planck-Institut) für Kohlenforschung in Mülheim/Ruhr. Ziegler entwickelte u. a. ein bei niedrigem Druck arbeitendes Polymerisationsverfahren für Äthylen in Gegenwart von metallorganischen Mischkatalysatoren. Für ihre Entdeckungen auf dem Gebiet der Hochpolymeren erhielten Ziegler und der italienische Chemiker Guido Natta (1903-1973) 1963 den Nobelpreis für Chemie. Beide entwickelten auch die Ziegler-Natta-Katalysatoren, die Bedeutung für die Herstellung von Polyäthylen, Polyprophylen und Polybutadien haben. Ziegler war Präsident der Gesellschaft Deutscher Chemiker. Von den Technischen Hochschulen Hannover und Darmstadt und den Universitäten Heidelberg und Gießen wurde er mit der Ehrendoktorwürde geehrt. Er war Ehrensenator der Max-Planck-Gesellschaft; wurde 1969 Ritter des Ordens Pour le mérite für Wissenschaften und Künste; 1970-1972 Gründungspräsident der Wissenschaftlichen Rheinisch-Westfälischen Akademie und war Ehrenmitglied verschiedener deutscher und internationaler wissenschaftlicher Gesellschaften und Akademien.