Vossler studierte zunächst auch Germanistik ("Das deutsche Madrigal" 1898), dann ausschließlich Romanistik. Habilitation in Heidelberg 1900. Mit Italien durch Heirat und durch Freundschaft mit Benedetto Croce verbunden, beschäftigte er sich mit italienischer Literatur, aber auch mit provencalischen Trobardors und mit sprachwissenschaftlichen Untersuchungen: Seine Schriften "Positivismus und Idealismus in der Sprachforschung" (1904) und "Sprache als Schöpfung und Entwicklung" (1905), lebhaft diskutiert, führten die Romanistik aus der naturwissenschaftlich-anorganisch-positivistischen in eine idealistisch-aesthetische Sprachbetrachtung, a. o. Professor in Heidelberg 1903, Ordinarius in Würzburg 1909, in München 1911.

Als bedeutende Publikationen sind zu nennen: Dantes "Göttliche Komödie" (4 Bde. 1907, 2. Aufl. 1925), "Frankreichs Kultur im Spiegel seiner Sprachentwicklung" (1913, 2. Aufl. 1929), "Lope de Vega" (1932), "Luis de Leon" (1935). Als Gegner des Nationalsozialismus 1937 vorzeitig in den Ruhestand versetzt. Trotzdem weitere Publikationen "Aus der romanischen Welt" (1940) und "Südliche Romania" (1940). "Poesie der Einsamkeit in Spanien" (1943). Nach Kriegsende bis 1947 wieder an der Universität München.

Vosslers Bedeutung liegt in seiner Interpretation von Sprache und Literatur unter dem Oberbegriff der Dichtung — ein Erbe Wilhelm von Humboldts und der Romantiker.