Die Möglichkeiten einer naturwissenschaftlichen Bildung werden am Willigis vollständig und in hervorragender Weise umgesetzt. Das Fach Naturwissenschaft in der Orientierungsstufe, ein Propädeutikum, lässt die Schüler Naturwissenschaften als zusammenhängenden Komplex erfahren. Ab Klasse 7 werden die drei Disziplinen Physik, Chemie und Biologie getrennt unterrichtet. Ab Klasse 8 kommen die Wahlpflichtfächer Naturwissenschaft und Informatik hinzu. Arbeitsmethoden, Messverfahren und deren Auswertungen stehen im Wahlpflichtfach Naturwissenschaft an vorderer Stelle. Dies rundet den Gesamtblick auf die Naturwissenschaften ab und wird durch Methoden der Systemwissenschaft ergänzt. Einem Spiralcurriculum ähnlich werden in der Oberstufe die aus der Mittelstufe gewonnen Erkenntnisse in den Leistungs- und Grundkursen aufgegriffen, vertieft und erweitert.
Das Interesse an den Naturwissenschaften ist seit Jahren kontinuierlich sehr groß. In allen Jahrgängen, in denen Schüler eine Wahlmöglichkeit für naturwissenschaftliche Fächer haben, müssen diese fast immer wegen der Nachfrage als Parallelkurse geplant werden.
Im Schuljahr 2013/14 wurde die Renovierung der Schule abgeschlossen. Am meisten und auch am dringlichsten war die Renovierung für den naturwissenschaftlichen Bereich notwendig. Die Unterrichtsräume (insgesamt acht) wurden nach einem neuen pädagogischen Konzept umgestaltet, die Möglichkeiten für Schülerübungen immens erweitert und die Sammlungen aller Fächern den aktellen Herausforderungen angepasst.
Die Zusammenarbeit und Vernetzung mit außerschulischen Lernpartnern wird seit Jahren am Willigis großgeschrieben und kontinuierlich ausgebaut. Dazu zählen beispielsweise die Johannes Gutenberg-Universität Mainz, die SCHOTT-AG, das Institut für Didaktik der Physik (IDP), Netzwerk Teilchenwelt, das Schüler-Labor und die TU Darmstadt.
Ebenfalls seit Jahren nehmen große Schülergruppen an den Wettbewerben mit regionalem und überregionalem Erfolg bis hin zum Bundessieg wie Jugend forscht und Schüler experimentieren teil. 2014 erhielt das Willigis den Deutschen Schulpreis – Jugend forscht überreicht.
Weitere naturwissenschaftliche Angebote für Schülerinnen und Schüler sind Physik am Samstagmorgen, NaTLab Schülerlabor Mainz, CERN, SETI, Mathematikum, Tag der Physik, Wissenschaft in den Schulen etc. (siehe unter „Angebote für euch“).
