В 1919 году фон Лееб служил в добровольческом корпусе, принимавшем участие в подавлении восстания в Баварии. В октябре 1919 года он был назначен главой отдела военного министерства в Берлине. Фон Лееб был оставлен в 100-тысячной армии рейхсвера, и с тех пор началась его стремительная военная карьера. Он обладал несомненным талантом к военному делу и блестящей репутацией грамотного и опытного офицера. В 1920 году он получил звание подполковника и назначение в Штеттин в качестве начальника штаба 20-го военного округа. Через два года он был переведен в Мюнхен, став начальником штаба 7-го округа. Затем он командовал 2-м горным батальоном артиллерии, а в 1925 году получил звание полковника. 1 февраля 1929 года фон Лееб стал генерал-майором и был удостоен квалификационного звания начальника артиллерии 7-го класса. В следующем году он был произведен в генерал-лейтенанты и назначен командующим 7-м военным округом с центром в Мюнхене.
Генерал фон Лееб открыто выражал свою ненависть к нацистам, за что получил от Гитлера прозвище «неисправимый антифашист». Однако фон Лееб пользовался в армейских кругах глубоким уважением, его по праву считали авторитетом в области оборонительной тактики. В 1934 году Вильгельм фон Лееб получил звание генерала артиллерии и был назначен командующим 2-й армейской группой, дислоцированной в Касселе. Но через 4 года во время чистки в армии, вызванной спровоцированным «делом Фрича – Бломберга», он был отправлен в отставку, правда фюрер произвел его в генерал-полковники. Через полгода генерал вернулся в армию, чему немало способствовал его старый друг Кейтель. Гитлер назначил Лееба командующим 12-й армией, которой предстояло оккупировать Судеты. Однако до боевых действий так и не дошло, и после раздела Чехословакии части фон Лееба заняли большую часть Южной Чехии. Вскоре фон Лееб вернулся в Баварию и опять удалился в отставку.
На следующий год Гитлер снова вспомнил о фон Леебе и вверил ему командование группой армий «Ц», которая была развернута вдоль западной границы рейха перед «линией Мажино».
Вильгельм фон Лееб был с самого начала против Западной кампании. Ознакомившись с оперативным планом «Гельб», фон Лееб заявил Гитлеру, что нарушение нейтралитета Бельгии и Голландии во второй раз за последние четверть века вызовет сопротивление населения этих стран и навсегда погубит репутацию Германии в глазах мировой общественности.
10 мая 1940 года группа армий «Ц» под командованием Вильгельма фон Лееба в составе 1-й и 7-й полевых армий вторглась на территорию Франции. В этой кампании войскам фон Лееба была отведена вспомогательная роль: они должны были производить разведывательные действия и имитировать приготовление к наступлению у «линии Мажино», чтобы отвлечь на себя как можно больше сил противника. После разгрома французских частей под Дюнкерком фон Леебу была передана танковая армия Гудериана. Получив мощное подкрепление, он 18 июня окружил 2-ю французскую армию. Несмотря на скромное участие Вильгельма фон Лееба во Французской кампании, фюрер произвел его в фельдмаршалы и наградил Рыцарским крестом. Но все эти почести не произвели на фон Лееба никакого впечатления. Новоиспеченный фельдмаршал не мог смириться с потерей сына, погибшего в ходе Польской кампании, и считал Гитлера непосредственным виновником его гибели.
Для вторжения в СССР группа армий «Ц» была переименована в группу армий «Север». Фон Лееб получил подкрепление в виде 18-й и 16-й полевых армий и 4-й танковой группы. В соответствии с оперативным планом «Барбаросса» группа армий «Север» должна была уничтожить действующие в Прибалтике силы противника и захватить порты на Балтийском море, включая Ленинград и Кронштадт, лишив тем самым советский флот его баз. Части фон Лееба должны были нанести главный удар в направлении Двинска, форсировать Западную Двину, не допустить отступления боеспособных русских сил из Прибалтики на восток и создать предпосылки для дальнейшего успешного продвижения на Ленинград.
22 июня фон Лееб начал наступление по всей линии фронта. Удар оказался настолько неожиданным, что вскоре сопротивление основных частей 8-й и 11-й советских армий было сломлено. Командующий Северо-Западным фронтом генерал-полковник Кузнецов силами срочно переброшенного из Пскова 12-го моторизованного корпуса попытался провести из района Шяуляя контрудар на Тильзит. Одновременно 3-й моторизованный корпус РККА ударил по правому флангу Хёпнера, вступив в бои с танковым корпусом Рейнгардта. Здесь немецкая танковая дивизия впервые столкнулась с советскими тяжелыми танками КВ-1 и КВ-2, превосходящими по своей мощности любой немецкий танк. Немецкой противотанковой артиллерии также было не по силам их уничтожить. Но, несмотря на использование тяжелых танков, к 26 июня было уничтожено или захвачено 108 советских танков и около 100 единиц артиллерии. В плен были взяты около 6000 человек. После этого войска фельдмаршала фон Лееба не встречали на своем пути организованного сопротивления. В тот же день передовые части Хёпнера форсировали Западную Двину в районе Двинска, прорвали оборону 27-й и 8-й армий и двинулись дальше на восток. Через три дня, 29 июня 1941 года, 18-я армия фон Кюхлера взяла Ригу. 9 июля танки Хёпнера подошли к Пскову. Несмотря на решительные контратаки советских частей, немцы взяли Псков и заняли всю территорию южного берега Чудского озера. Этим они обеспечили себе удобный плацдарм для наступления на Ленинград.
Захватив Псков и форсировав реку Великую, 4-я танковая группа разделилась. 41-й моторизованный корпус Рейнгардта, прорвав позиции, удерживаемые остатками 11-й и 8-й армий, двинулся в сторону Новгорода и озера Ильмень. 56-й моторизованный корпус Манштейна смял оборону 27-й армии и начал наступать севернее и южнее Ильменя на Старую Руссу и Холм. Только теперь группа армий «Север» встретила организованное сопротивление. Командующий 11-й армией генерал-лейтенант Морозов, получив из резерва ставки 2 танковые, 2 моторизованные и несколько стрелковых дивизий, 12 июля нанес контрудар флангам фон Манштейна и на несколько дней смог задержать продвижение 56-го моторизованного корпуса вермахта. Но с 17 июля генерал Морозов потерял практически все танки и вынужден был отступить. Через месяц после тяжелых боев немецкие части взяли Старую Руссу и Нарву, одновременно выйдя к месту впадения реки Ловать в озеро Ильмень. 12 августа советское командование нанесло контрудар по позициям 16-й армии из района восточнее Старой Руссы. За два дня советские танки смогли продвинуться на 30—40 километров, но были полностью уничтожены дивизией СС «Мертвая голова». После этого немецкие войска, смяв оборону 11-й, 34-й и 27-й советских армий, в течение месяца захватили Валдайскую возвышенность.
Тем временем северный фланг фон Лееба продолжал двигаться к Ленинграду. 30 августа фельдмаршал Лееб вышел на реку Нева, но был остановлен у Красногвардейска. 8 сентября 126-я пехотная дивизия и части 39-го танкового корпуса захватили Шлиссельбург и блокировали Ленинград с суши, а 1-й воздушный флот люфтваффе начал бомбить город. Фон Лееб приступил к заключительному этапу операции, Ленинград был уже в пределах досягаемости германских 240-миллиметровых пушек. Командующий созданного Ставкой 5 сентября Ленинградского фронта Ворошилов располагал 55-й, 42-й и 23-й армиями, которые отчаянно сражались по внутреннему периметру сужающегося кольца окружения.
В первую неделю сентября 1941 года фон Лееб получил из группы армий «Центр» подкрепление в виде 3-й танковой группы генерала Гота.
6 сентября фюрер подписал директиву № 35. Согласно этой директиве на взятие города фон Леебу отводилось всего две недели.
После трехдневной передышки фельдмаршал начал штурм Ленинграда. 9 сентября 41-й танковый корпус перешел в наступление. Сражение было ожесточенным. Главный удар в первый день нанесли 16-й танковый корпус и 36-я моторизованная дивизия, атаковав Пулковские высоты. На левом фланге 39-й танковый корпус, усиленный 20-й моторизованной дивизией, нанес удар в направлении Шлиссельбурга. 1-я танковая дивизия наносила удар вдоль левого берега Невы, а 6-я наступала по обе стороны железной дороги Москва – Ленинград. Продвижение немецких армий шло крайне медленно, счет велся едва ли не на метры. Обе стороны несли огромные людские потери. За один день 10 сентября 1-я танковая дивизия потеряла столько танков, что из оставшихся машин можно было с трудом укомплектовать полбатальона, но к исходу дня дивизия заняла важнейшие высоты, с которых прекрасно просматривался Ленинград. На левом фланге немецкая пехота пробилась в пригороды Пушкина и стала продвигаться к Красному Селу. Утром 11 сентября морские пехотинцы поначалу потеснили немцев, но, не имея никаких резервов, через несколько часов были вынуждены оставить Красное Село. В тот же день Ворошилов был снят с должности командующего Ленинградским фронтом, а его место занял Жуков.
