Работы Ситтера посвящены позиционной астрономии, фотометрии звезд и космологии. Проанализировав данные о движении спутников Юпитера, полученные им самим и другими астрономами на мысе Доброй Надежды, он создал новую теорию их движения, которая учитывала возмущающие факторы разной природы. Эта теория используется и в настоящее время для расчета движения спутников Юпитера. Ситтеру принадлежат работы по согласованию различных астрономических и геодезических постоянных. Ученый изучал неравномерность движения Земли и объяснил замедление ее вращения приливным трением.

Работы Ситтера по теории относительности, представленные Лондонскому королевскому обществу в 1916–1917, привлекли внимание научного мира к общей теории относительности Эйнштейна. Ситтер создал одну из первых релятивистских космологических теорий, которая послужила отправной точкой для последующих теорий нестационарной Вселенной (А.Фридман, 1922; Ж.Леметр, 1927). В 1931 Ситтер приехал в США, зиму провел в обсерватории Маунт-Вилсон, наблюдая вместе с Эйнштейном за движением отдаленных галактик и обсуждая теорию расширения Вселенной. Лекции, прочитанные Ситтером в США в Калифорнийском университете, были изданы с дополнениями в 1933. Умер Ситтер в Лейдене 20 ноября 1934.