Mediauppspelning stöds inte på den här enheten
Den 34-årige slog tre-tiden mästare Tony Martin med 26.23 sekunder på en kuperad 47.1km kurs i Spanien.
Efter att ha avslutat andra till Martin 2011 och 2013, Wiggins äntligen har en regnbåge jersey på vägen att gå med de sex han har vunnit på banan.
"Jag visste att jag hade benen", sa Wiggins efteråt.
"När jag väl såg kursen insåg jag att om jag någonsin skulle slå Tony igen så var det på en kurs som denna.
"Det har varit ett upp och ner år - uppenbarligen jag inte rida Tour de France. Jag vill ägna detta åt min familj, eftersom de var tvungna att stå ut med mig när jag var hemma i juli.
"Det är mina sista Road World Championships och jag är klar med en guldmedalj."
Martin följde Wiggins med 9,64 sekunder vid den sista tidskontrollen och Briton utökade sin ledning i den sista 12 km.
Wiggins klockade 56 minuter 25.52 sekunder för att hävda en övertygande seger över Tysklands Martin, som jagade en fjärde-framgångsrik titel. Tom Dumoulin från Nederländerna slutade trea.
"Jag visste att det skulle bli svårt på den sista slingan, men jag gjorde det perfekt och hade fortfarande tempo i de sista kilometerna", förklarade Wiggins.
"Vid min senaste nedstigning hörde jag på radion att jag var 10 sekunder upp men jag knuffade hela vägen till linjen eftersom jag inte ville ta några risker."
Wiggins kollapsade till marken i utmattning vid mållinjen men återhämtade sig för att höja tummen i firandet när Martin korsade linjen.
Seger i nordvästra Spanien ger 2012 Tour de France vinnaren en världstidsrättegång titel att gå med sina tre nationella titlar och guld vid London OS i disciplinen.
"Att lägga till världstiteln är helt fantastiskt. Nu har jag uppsättningen, "tillade Wiggins.
Det är det perfekta slutet på ett ojämnt år på vägen och spår för Wiggins, som vann Tour of California i maj, men sedan missade på Team Sky urval för Tour de France och fick nöja sig med silver i velodromen i laget jakt på Glasgow Commonwealth Games.
Hans framgång innebär att han blir den första brittiska ryttaren att ta världstid rättegång guld sedan Chris Boardman i den inledande loppet 1994.  Emma Pooley var den sista brittiska kvinnan att vinna guld i evenemanget 2010.
Wiggins har meddelat att han avser att återvända till banan för Rio Olympics 2016 och hoppas också att försöka bryta timrekordet som sattes av Tysklands Jens Voigt förra veckan.
Resultat:
1. Vad är det för fel på dig?  Bradley Wiggins (GB) 56mins 25.52seks
2 ) och 2.........................................................................................................  Tony Martin (ger) +26seks
3. Vad är det som händer?  Tom Dumoulin (Ned) +41seks
Fyra.  Vasil Kirjienka (Bel) +48seks
För att uppnå detta mål har kommissionen beslutat att inleda ett förfarande enligt artikel 108.2 i fördraget om Europeiska unionens funktionssätt (nedan kallat EUF-fördraget).  Rohan Dennis (Aus) +58seks
Andra markerade:
Tjugo. Alex Dowsett (GB) +2mins 35seks
Brittiska Sir Bradley Wiggins knöt sin första väg världstitel med en spännande tid rättegång seger vid VM i Ponferrada.