Seine Leidenschaft galt der Hochenergiephysik. 1969 promovierte Horst Dieter Wahl in Physik an der Universität Wien. Es folgten Forschungstätigkeiten am CERN, an der Stony Brook University im US-Bundesstaat New York und an der Florida State University in Tallahassee.
Horst Dieter Wahl widmete seine Forschung vor allem der schwachen Kernkraft und der elektromagnetischen Wechselwirkung. Sein Interesse galt auch CMS, Compact-Muon-Solenoid-Experiment, einem Vielzweck-Detektor zur Vermessung der unterschiedlichen Teilchen, die bei den Zusammenstößen der Protonen entstehen. Wahl war an Forschungsprojekten am Fermi National Accelerator Laboratory beteiligt, einem US-Teilchenphysik-Zentrum. Hier wurden u.a. Proton-Antiproton-Kollisionen am Tevatron-Beschleuniger untersucht. Der Tevatron war der weltweit energiereichste Teilchenbeschleuniger, er wurde 2009 vom Large Hadron Collider abgelöst.
Wahl erhielt zahlreiche Auszeichnungen, unter anderem den Erwin Schrödinger-Preis der Österreichischen Akademie der Wissenschaften.