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.